JP2022553752A - Small laser steering end effector - Google Patents

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Abstract

小型レーザステアリングエンドエフェクタは、フレームと、少なくとも2つのアクティブミラーと、1対のアクチュエータとを具える。フレームは、長手方向軸に直交する平面における最大寸法が13mm以下であり、ミラーはフレームの遠位端の近くに取り付けられる。アクチュエータはフレームに取り付けられ、フレームに対するアクティブミラーの傾きをそれぞれ変更するように構成されている。レーザビームをミラーに送るための経路がフレームを通して設けられ、ミラーは、各ミラーからレーザビームを反射して外部ターゲットに向けるように、アクチュエータを介して配置および構成可能である。【選択図】図4A miniature laser steering end effector includes a frame, at least two active mirrors, and a pair of actuators. The frame has a maximum dimension in a plane orthogonal to the longitudinal axis of 13 mm or less, and the mirror is mounted near the distal end of the frame. The actuators are attached to the frame and configured to each change the tilt of the active mirror with respect to the frame. A path is provided through the frame for directing the laser beam to the mirrors, and the mirrors are positionable and configurable via actuators to reflect the laser beam from each mirror toward an external target. [Selection drawing] Fig. 4

Description

後述する背景技術の記載は、開示された発明から得られた後知恵を反映している場合があり、これらの特徴は必ずしも先行技術であると認めるものではない。 The background statements that follow may reflect hindsight gained from the disclosed invention and are not necessarily admitted to be prior art for these features.

2018年に米国で3万人以上が咽頭癌または喉頭癌と診断され、6千人が死亡している。これらの癌は、クオリティオブライフへの悪影響が顕著であり、嚥下障害や発声障害などの症状はしばしばうつ病や社会的孤立につながり、治癒的治療がこれらの機能性疾患を悪化させることも少なくない。罹患率は、歴史的にタバコの喫煙が原因であったが、最近はヒトパピローマウイルスが原因となっており、歴史的に若い患者層が長期的な機能予後を深刻に懸念する結果となっている。 More than 30,000 people in the United States were diagnosed with pharyngeal or laryngeal cancer in 2018, and 6,000 died. These cancers have a significant negative impact on quality of life, symptoms such as dysphagia and dysphonia often lead to depression and social isolation, and curative treatments rarely exacerbate these functional disorders. No. The morbidity has historically been caused by tobacco smoking but more recently by human papillomavirus, resulting in a historically younger patient population with serious concerns over long-term functional outcomes. .

このため、これらの癌の治療後の臓器機能を維持できる治療法が強く求められている。開腹手術による臓器の一部摘出または全摘出は極端であり、優れた腫瘍学的結果がほぼ保証されるが、機能的結果は犠牲になる。非手術的な方法として、導入化学療法、強度変調放射線療法、および放射線療法との同時化学療法などがあり、良好な腫瘍学的結果を達成しながら、開腹手術よりも優れた機能的結果が得られる。現在、ほとんどの喉頭がんに対してこのような方法が推奨されている。しかし、過去20年の間に、放射線療法に関連する長期罹患と機能障害により、耳鼻咽喉科医は外科手術を再検討するようになっている。特に低侵襲手術は、開腹手術と比較して健康な組織をより多く保存し、術後の臓器機能を向上させる観点から関心が持たれている。 Therefore, there is a strong demand for therapeutic methods that can maintain organ function after treatment of these cancers. Partial or total organ removal by open surgery is extreme and almost guarantees excellent oncological results, but at the expense of functional results. Non-surgical methods, including induction chemotherapy, intensity-modulated radiation therapy, and concurrent chemotherapy with radiation therapy, have achieved good oncological outcomes while yielding functional results superior to open surgery. be done. Such methods are now recommended for most laryngeal cancers. Over the past two decades, however, long-term morbidity and disability associated with radiation therapy has caused otolaryngologists to reconsider surgery. In particular, minimally invasive surgery is of interest from the viewpoint of preserving more healthy tissue and improving postoperative organ function compared to open surgery.

経口的レーザ顕微鏡手術(TLM:Transoral laser microsurgery)は、最も成熟した低侵襲アプローチである。TLMでは、炭酸ガスレーザを手術用顕微鏡に結合し、上気道への視線アクセスを提供する喉頭鏡を介して照射される。手術者は喉頭鏡を通して挿入された手動ツールを使用して病変を引き込み顕微鏡のマイクロマニピュレータを使用してレーザビームを操作し、病変組織を切除する。先進的なシステムではマイクロマニピュレーターが電動化されており、手術者は正確に制御された速度で所定の円弧や線に沿ってレーザを照射ことができ、非常に質の高い切開が可能になる。TLMの最も重要な制限は視線の制約であり、これにより視覚と照射の両方が制限される。さらに、長くて狭い喉頭鏡は、引き込みや縫合に必要なツールの手動操作が困難にする。 Transoral laser microsurgery (TLM) is the most mature minimally invasive approach. In TLM, a carbon dioxide laser is coupled to an operating microscope and delivered through a laryngoscope that provides line-of-sight access to the upper respiratory tract. The operator uses manual tools inserted through the laryngoscope to retract the lesion and uses the microscope's micromanipulators to manipulate the laser beam and excise the diseased tissue. Advanced systems motorize the micromanipulator, allowing the surgeon to direct the laser along a predetermined arc or line at a precisely controlled speed, resulting in very high quality incisions. The most important limitation of TLM is the line-of-sight constraint, which limits both vision and illumination. Additionally, the long and narrow laryngoscope makes manual manipulation of the tools required for retraction and suturing difficult.

これらの欠点に対処するために、2000年代半ばに経口的ロボット手術(TORS:Transoral Robotic Surgery)が開発された。TORSでは、柔軟あるいは間接型のロボットマニピュレーターが内視鏡ビジョンシステムと組み合わせて使用され、手術部位の優れた視覚化と組織操作性を提供する。現在、DA VINCIマルチポートシステムおよびDA VINCIシングルポートシステム(Intuitive Surgical Inc.、カリフォルニア州サニーベール)およびFLEXロボットシステム(Medrobotics、米国マサチューセッツ州レイナム)が臨床使用されている。 To address these shortcomings, Transoral Robotic Surgery (TORS) was developed in the mid-2000s. In TORS, a flexible or articulated robotic manipulator is used in combination with an endoscopic vision system to provide excellent visualization of the surgical site and tissue manipulation. Currently in clinical use are the DA VINCI multiport system and the DA VINCI single port system (Intuitive Surgical Inc., Sunnyvale, CA) and the FLEX robotic system (Medrobotics, Raynham, MA, USA).

しかしながら、TORSはTLMと比べて、電気メスで切除するため、TLMで実施される同様の手術よりも術後の痛みが強く、回復に時間がかかるという欠点がある。近年、柔軟な機器で炭酸ガスレーザを照射できる中空コアファイバが開発され、この問題がある程度軽減されてTORSでのレーザの使用が増加すると予想される。しかし、ファイバベースのレーザはロボットツールに保持および操作されるため、フリービーム走査システムのような空間再現性、精度、および速度に欠けるものとなる。これは、TLMに使用されるフリービームシステムに比べて切開の質が低下することを意味する。フリービームシステムには、手術部位をクリアに保ち、露出とマージンの可視化という追加の利点がある。 However, compared to TLM, TORS is resected with an electric scalpel, which has the drawback of causing stronger postoperative pain and taking longer to recover than similar surgery performed with TLM. In recent years, the development of hollow-core fibers that can be irradiated with carbon dioxide lasers in flexible devices is expected to alleviate this problem to some extent and increase the use of lasers in TORS. However, because fiber-based lasers are held and manipulated by robotic tools, they lack the spatial repeatability, accuracy, and speed of free-beam scanning systems. This means that the incision quality is reduced compared to the free beam system used for TLM. Free beam systems have the added benefit of keeping the surgical site clear and visualizing exposure and margins.

低侵襲レーザスキャンタスク用に多くのプロトタイプ内視鏡デバイスが開発されており、それぞれが困難な設計課題への異なるアプローチを採用している。S. Patelらの「Endoscopic laser scalpel for head and neck cancer surgery」、Photonic Therapeutics and Diagnostics VIII、Vol. 8207、International Society for Optics and Photonics 82071S (2012)では、ビームステアリング方式としてDCモータ駆動のリズリー(Risley)プリズムを用いており、実装が容易な制御方式が可能であるが、走査速度は非常に制限されている(2Hz)。O. Ferhanogluらの「A 5-mm piezo-scanning fiber device for high speed ultrafast laser microsurgery」、Biomedical Optics Express、Vol. 5、No. 7、2023-2036 (2014)では、圧電アクチュエータを使用して光ファイバを直接曲げ、薄いデバイスプロファイル(直径5mm)で広い帯域幅(1kHz)を実現する。しかし、結果として視野が低下する(200×200μm)。A. Acemogluらの「Design and control of a magnetic laser scanner for endoscopic microsurgeries」、IEEE/ASME Transactions on Mechatronics (2019)では、電磁石を使用してファイバを曲げ、可動域を3×3mmに拡大したが、そうすることで帯域幅(15Hz)が犠牲になっている。最後に、R. Renevierらの「Endoscopic laser surgery: design, modeling and control」、IEEE/ASME Transactions on Mechatronics、Vol. 22、No. 1、99-106 (2017)には、FEMTO-ST研究所が既製の圧電リニアアクチュエータを使用して、先端傾斜ステージに保持されたシリコンミラーを関節運動させるシステムを開発したことが記載され、これにより走査速度は低い(17Hz)が20×20mmの視野を実現している。 A number of prototype endoscopic devices have been developed for minimally invasive laser scanning tasks, each taking a different approach to a difficult design challenge. In "Endoscopic laser scalpel for head and neck cancer surgery" by S. Patel et al., Photonic Therapeutics and Diagnostics VIII, Vol. 8207, International Society for Optics and Photonics 82071S (2012), a DC motor-driven Risley ) using a prism, which allows for an easy-to-implement control scheme, but the scanning speed is very limited (2 Hz). In O. Ferhanoglu et al., "A 5-mm piezo-scanning fiber device for high speed ultrafast laser microsurgery," Biomedical Optics Express, Vol. The fiber is directly bent to achieve a wide bandwidth (1 kHz) with a thin device profile (5 mm diameter). However, it results in a reduced field of view (200×200 μm). A. Acemoglu et al., "Design and control of a magnetic laser scanner for endoscopic microsurgeries," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics (2019) used electromagnets to bend the fiber and expand the range of motion to 3 × 3 mm. Doing so sacrifices bandwidth (15 Hz). Finally, in R. Renevier et al., "Endoscopic laser surgery: design, modeling and control," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 22, No. 1, 99-106 (2017), the FEMTO-ST laboratory We describe the development of a system to articulate a silicon mirror held on a tip-tilt stage using an off-the-shelf piezoelectric linear actuator, which achieves a 20 × 20 mm field of view at a low scan rate (17 Hz). ing.

小型レーザステアリングエンドエフェクタと、特に手術のためにエンドエフェクタを使用する方法が本明細書に記載されており、この装置および方法の様々な実施形態は、以下に記載される要素、特徴およびステップのいくつかまたはすべてを含み得る。 SUMMARY OF THE INVENTION A compact laser steering end effector and a method of using the end effector particularly for surgery are described herein, and various embodiments of the apparatus and methods incorporate the elements, features and steps described below. may include some or all.

小型レーザステアリングエンドエフェクタは、フレームと、少なくとも2つのアクティブミラーと、1対のアクチュエータとを具える。フレームは、フレームの長手方向軸に直交する平面における最大寸法が13mm以下であり、ミラーは、フレームの遠位端に近接して(すなわち、フレームの近位端よりも遠位端の近くに)取り付けられる。アクチュエータはフレームに取り付けられ、フレームに対するアクティブミラーの傾きをそれぞれ変化させるように構成されている。レーザビームをミラーに送達するための経路がフレームを通して設けられており、ミラーは、外部ターゲットに向かう途中でレーザビームを各ミラーから反射するようにアクチュエータを介して配向および構成可能である。 A miniature laser steering end effector includes a frame, at least two active mirrors, and a pair of actuators. The frame has a maximum dimension in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the frame of 13 mm or less, and the mirror is positioned closer to the distal end of the frame (i.e., closer to the distal end than to the proximal end of the frame). It is attached. The actuators are attached to the frame and configured to each change the tilt of the active mirror with respect to the frame. A path is provided through the frame to deliver the laser beam to the mirrors, which are orientable and configurable via actuators to reflect the laser beam from each mirror on its way to the external target.

ロボットレーザステアリングの方法では、レーザビームが生成されて、エンドエフェクタの近位端に、エンドエフェクタの遠位端に近い領域へと向けられる。レーザビームは、エンドエフェクタの遠位端に近い領域で少なくとも2つのアクティブミラーで反射され、この少なくとも2つのアクティブミラーの傾斜方向を変更してレーザビームをターゲットにわたって移動させるのにアクチュエータが使用される。 In the method of robotic laser steering, a laser beam is generated and directed at the proximal end of the end effector to a region near the distal end of the end effector. The laser beam is reflected off at least two active mirrors in a region near the distal end of the end effector, and an actuator is used to change the tilt direction of the at least two active mirrors to move the laser beam across the target. .

本書に記載する装置と方法は、ロボットマニピュレータの先端で動作するレーザ走査システムにおいて、TLMとTORSの両方の利点を取り込むことができる。この装置および方法は、より正確な切開を可能にし、それに応じて既存のレーザまたは電気メスツールよりも組織損傷を少なくすることができる。さらに、レーザファイバをロボットマニピュレーター内で動かすようにすると、ファイバの設計や使用に関する制約を緩和することができ、現在入手可能なCOレーザファイバが高価(約1,000米ドル)で単回使用であることを考えると有利である。以下に、このTLM/TORSハイブリッドパラダイムを実現するためのプロトタイプ装置について説明する。 The apparatus and methods described herein can incorporate the advantages of both TLM and TORS in a laser scanning system operating at the tip of a robotic manipulator. The apparatus and method may allow for more precise incisions and correspondingly less tissue damage than existing laser or electrocautery tools. Furthermore, making the laser fiber move within a robotic manipulator can relax constraints on fiber design and use, making currently available CO2 laser fibers expensive (approximately US$1,000) and single-use. It is advantageous to consider one thing. A prototype device for realizing this TLM/TORS hybrid paradigm is described below.

近年、健康な組織をより多く保存できる低侵襲手術法が出現したが、それらは依然として大事な点で限界がある。ここでは、(a)経口レーザ顕微鏡手術で達成可能な高品質の切開と術後の痛みの軽減と、(b)経口ロボット手術によって提供される優れた可視化と組織操作性という、既存の主要な低侵襲アプローチの2つの利点を組み合わせることができる装置について説明する。具体例では、直径11mmの装置が光ファイバレーザ光源に接続され、最大7m/sの速度で制御可能な軌道で18×10mmの平面に集束されたレーザビームを送出する。 Although minimally invasive surgical techniques have emerged in recent years that can preserve more healthy tissue, they are still limited in important ways. Here, the existing major advantages of (a) the high-quality incision and post-operative pain reduction achievable with oral laser microsurgery and (b) the superior visualization and tissue manipulation offered by oral robotic surgery are discussed. We describe a device that can combine the two advantages of a minimally invasive approach. In a specific example, an 11 mm diameter device is connected to a fiber optic laser source and delivers a focused laser beam on a plane of 18 x 10 mm on a controllable trajectory with a velocity of up to 7 m/s.

TORSとTLMの長所を組み合わせることにより、このアプローチは、咽頭がんや喉頭がんなどの治療の質を向上させることが期待される。これにより、TLMのみの場合よりもアクセスや露出が向上し、TORSのみの場合よりも切開の質が向上する。その結果、手術者の手順が合理化され、患者の機能的転帰が向上する。他の用途として、このアプローチは、レーザ支援心臓アブレーション、レーザ支援消化管手術、レーザ支援腹部手術、レーザ支援経鼻頭蓋底手術などに使用することができる。 By combining the strengths of TORS and TLM, this approach is expected to improve the quality of treatment of cancers such as pharyngeal and laryngeal cancers. This provides better access and exposure than TLM alone, and better quality of cut than TORS alone. As a result, the operator's procedure is streamlined and the patient's functional outcome is improved. Among other applications, this approach can be used for laser-assisted cardiac ablation, laser-assisted gastrointestinal surgery, laser-assisted abdominal surgery, laser-assisted transnasocranial base surgery, and the like.

本明細書に記載のエンドエフェクタは、高速で正確に作動させることができ、生体組織とロボットで相互作用する重要な新しい方法を可能にする。特に、エンドエフェクタをマイクロロボット装置に組み込んで、低侵襲手術においてレーザエネルギーの巧みな制御を実現することができる。これらの装置および方法で実現する高帯域幅の遠位作動は、既存の外科用ツールと統合して、ファイバ送達レーザの位置を正確に制御することができる。本明細書に記載の製造およびモジュール式組立アプローチは、既存のツールと同様の可動範囲を達成しながら、現在の技術水準よりも高い帯域幅で大幅に小さい装置を作成することができる。例えば、この装置は、直径が6mm以下で長さが16mm以下とすることができ、優れた静的再現性(例:±200μm)で広い範囲(例えば、2軸の両方で±10°)にわたって高速(例えば、1.2kHz帯域幅)でファイバ送達されたレーザビーンを集束および操縦することができる。このアプローチにより、レーザ速度すなわちエネルギー照射時間を広範囲にわたって正確に制御できるため、既存の剛性のケーブル駆動ツールよりも手術におけるエネルギー照射をより細かく制御することができる。このような器用なエネルギー供給アプローチは、限られたスペースで制御可能なエネルギーが必要とされる多様な外科領域に展開することができる。 The end effectors described herein can be operated with high speed and precision, enabling important new ways of robotic interaction with living tissue. In particular, end effectors can be incorporated into microrobotic devices to provide sophisticated control of laser energy in minimally invasive surgery. The high-bandwidth distal actuation provided by these devices and methods can be integrated with existing surgical tools to precisely control the position of fiber-delivered lasers. The manufacturing and modular assembly approach described herein can create a significantly smaller device with higher bandwidth than the current state of the art while achieving a range of motion similar to existing tools. For example, the device can be 6 mm or less in diameter and 16 mm or less in length, and can be used over a wide range (e.g., ±10° on both two axes) with excellent static repeatability (e.g., ±200 μm). A fiber-delivered laser bean can be focused and steered at high speed (eg, 1.2 kHz bandwidth). This approach allows precise control over a wide range of laser velocity, or energy delivery time, and thus provides greater control of surgical energy delivery than existing rigid cable-driven tools. Such a dexterous energy delivery approach can be deployed in a wide variety of surgical areas where controllable energy is required in confined spaces.

図1は、経口ロボット手術で使用するためのレーザ走査システムのエンドエフェクタ10の第1実施例を示す。エンドエフェクタ10がファイバ入力を受け取り、手術面上で焦点スポットを操作する。FIG. 1 shows a first embodiment of an end effector 10 of a laser scanning system for use in oral robotic surgery. An end effector 10 receives fiber input and manipulates the focal spot on the surgical plane. 図2は、図1のエンドエフェクタ設計を用いたレーザベースの組織切除で使用される典型的なカットプロファイルを示す長時間露光写真である。FIG. 2 is a long exposure photograph showing a typical cut profile used in laser-based tissue ablation using the end effector design of FIG. 図3は、図1のエンドエフェクタ設計を用いたレーザベースの組織切除で使用される典型的なカットプロファイルを示す長時間露光写真である。FIG. 3 is a long exposure photograph showing a typical cut profile used in laser-based tissue ablation using the end effector design of FIG. 図4は、ロボット手術用の小型レーザステアリングエンドエフェクタ10の第2実施例の斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of a second embodiment of a miniature laser steering end effector 10 for robotic surgery. 図5は、図4に示すロボット手術用の小型レーザステアリングエンドエフェクタ10の端面図である。FIG. 5 is an end view of the miniature laser steering end effector 10 for robotic surgery shown in FIG. 図6は、図4および図5に示すロボット手術用の小型レーザステアリングエンドエフェクタ10の側面図である。FIG. 6 is a side view of the miniature laser steering end effector 10 for robotic surgery shown in FIGS. 図7は、図4~6に示すロボット手術用の小型レーザステアリングエンドエフェクタ10の斜視図であり、エンドエフェクタ10の様々な部分の分解図を含む。FIG. 7 is a perspective view of the miniature laser steering end effector 10 for robotic surgery shown in FIGS. 図8は、主要なサブシステムの位置を規定するレーザ走査エンドエフェクタ10の第1実施例の斜視図である。FIG. 8 is a perspective view of a first embodiment of laser scanning end effector 10 defining the location of the major subsystems. 図9は、図8のエンドエフェクタ10の光学サブシステム48を示す。光学サブシステム48は、光ファイバ光源をレーザスキャナに接続する。FIG. 9 shows the optical subsystem 48 of the end effector 10 of FIG. An optical subsystem 48 connects the fiber optic light source to the laser scanner. 図10は、図8のエンドエフェクタ10の作動サブシステム50を示し、これは圧電曲げアクチュエータ18および22と、光学系を装置の残りの部分と位置合わせする剛性の機械的フレーム(ベース)40とを含む。FIG. 10 shows the actuation subsystem 50 of the end effector 10 of FIG. 8, which includes piezoelectric bending actuators 18 and 22 and a rigid mechanical frame (base) 40 that aligns the optics with the rest of the device. including. 図11は、運動伝達リンケージ38およびフラットアクティブミラー28/30を含む、エンドエフェクタ10のミラーサブシステム52を示す。FIG. 11 shows mirror subsystem 52 of end effector 10, including motion transfer linkage 38 and flat active mirror 28/30. 図12は、表に示される設計値を選択して概略的に表したクランク・スライダの伝達運動を示す。FIG. 12 shows the transmitted motion of the crank slider represented schematically by selecting the design values shown in the table. 図13は、エンドエフェクタの第1実施例の製作されたリンケージ上のクランク・スライダアームの図である。図13は第1のミラーリンケージ38を示す。実線の第1のセット71はクランク・スライダの有効なリンクを示し、点線73はクランクの回転軸を表し、実線の第2のセット75はリンケージ38の組み立てを容易にするために後方に曲げられた物理的部分を示す。ジョイントは黒丸77で表され、スライダの並進とクランクの回転は点線の黒い軌道79で表される。FIG. 13 is a view of the crank-slider arm on the fabricated linkage of the first embodiment of the end effector. 13 shows the first mirror linkage 38. FIG. A first set of solid lines 71 indicates the effective links of the crank sliders, dotted lines 73 represent the axis of rotation of the crank, and a second set of solid lines 75 are bent rearwardly to facilitate assembly of the linkage 38. physical part. The joints are represented by black circles 77 and the translation of the slider and the rotation of the crank are represented by dashed black trajectories 79 . 図14は、エンドエフェクタの第1実施例の製作されたリンケージ上のクランク・スライダアームの図である。図14は第2のミラーリンケージ38を示す。実線の第1のセット71はクランク・スライダの有効なリンクを示し、点線73はクランクの回転軸を表し、実線の第2のセット75はリンケージ38の組み立てを容易にするために後方に曲げられた物理的部分を示す。ジョイントは黒丸77で表され、スライダの並進とクランクの回転は点線の黒い軌道79で表される。FIG. 14 is a view of the crank-slider arm on the fabricated linkage of the first embodiment of the end effector. FIG. 14 shows the second mirror linkage 38. FIG. A first set of solid lines 71 indicates the effective links of the crank sliders, dotted lines 73 represent the axis of rotation of the crank, and a second set of solid lines 75 are bent rearwardly to facilitate assembly of the linkage 38. physical part. The joints are represented by black circles 77 and the translation of the slider and the rotation of the crank are represented by dashed black trajectories 79 . 図15は、キーシンボルが定義されたレーザ走査システムの概略図である。FIG. 15 is a schematic diagram of a laser scanning system with key symbols defined. リンケージ製作工程を示す図である。図16は、レーザ微細加工を用いてカットされた剛性材料60、可撓性材料62、および接着剤64の個々の層を示す。It is a figure which shows a linkage manufacturing process. FIG. 16 shows individual layers of rigid material 60, flexible material 62, and adhesive 64 cut using laser micromachining. リンケージ製作工程を示す図である。図17は、ピン68上に整列され、ラミネーションプレートの熱と圧力66利用して積層された層60、62を示す。It is a figure which shows a linkage manufacturing process. FIG. 17 shows layers 60, 62 aligned on pins 68 and laminated using heat and pressure 66 of lamination plates. リンケージ製作工程を示す図である。図18において、さらなるレーザ微細加工により、エンドエフェクタの第1実施例のリンケージ38の構造が作られている。It is a figure which shows a linkage manufacturing process. In FIG. 18, further laser micromachining has produced the structure of the linkage 38 of the first embodiment of the end effector. リンケージ製作工程を示す図である。図19において、組立タブを解放した後、リンケージ構造38が部分的に展開される。It is a figure which shows a linkage manufacturing process. In FIG. 19, linkage structure 38 is partially deployed after releasing the assembly tabs. リンケージ製作工程を示す図である。図20において、3Dプリントされた組立ジグ70を用いて、リンケージアームを所望の位置に曲げる。It is a figure which shows a linkage manufacturing process. In FIG. 20, a 3D printed assembly jig 70 is used to bend the linkage arm to the desired position. リンケージ製作工程を示す図である。図21において、最後のタブが解放され、リンケージ38は装置の残りの部分と統合する準備が整う。It is a figure which shows a linkage manufacturing process. In FIG. 21, the last tab is released and linkage 38 is ready to merge with the rest of the device. 図22は、エンドエフェクタの第1実施例の第1ミラー28”および第2ミラー30”のアクチュエータ電圧の関数としてミラー角度の測定値をプロットしたものである。全体的な傾向は、理論モデルの第1ミラー28’と第2ミラー30’でよく捉えられており、第1ミラーと第2ミラーの平均絶対誤差はそれぞれ0.6°と1.2°である。FIG. 22 plots the measured mirror angle as a function of actuator voltage for the first mirror 28'' and the second mirror 30'' of the first embodiment of the end effector. The overall trend is well captured by the theoretical model first and second mirrors 28' and 30', with average absolute errors of 0.6° and 1.2° for the first and second mirrors, respectively. be. 図23は、エンドエフェクタの第1実施例の第1のリンケージアクチュエータ18および第2のリンケージアクチュエータ22のアクチュエータ-伝達部-ミラーサブシステムの周波数応答をプロットしたものである。FIG. 23 plots the frequency response of the actuator-transmission-mirror subsystems of the first linkage actuator 18 and the second linkage actuator 22 of the first embodiment of the end effector. 図24は、高速度カメラで見た、エンドエフェクタの第1実施例のためのレーザスポット位置追跡セットアップを示す。20mmのスタンドオフ距離からの理論的視野72と達成された視野74が示されている。FIG. 24 shows the laser spot position tracking setup for the first embodiment of the end effector as viewed with a high speed camera. The theoretical field of view 72 and the achieved field of view 74 from a standoff distance of 20 mm are shown. 図25は、エンドエフェクタの第1実施例を使用して異なる速度で描いた形状を示し、レーザスキャナの開ループ軌跡追従機能を示している。システムの高速性能が、様々な指令速度にわたる再現性を通して示されている。FIG. 25 shows shapes drawn at different velocities using the first embodiment of the end effector, demonstrating the open loop trajectory tracking capability of the laser scanner. The high speed performance of the system is demonstrated through repeatability over various commanded speeds. 図26は、3ミラー検流計の3つのミラー角度構成を示している。FIG. 26 shows a three mirror angle configuration of a three mirror galvanometer. 図27は、2ミラー検流計の2つのミラー角度構成を示している。FIG. 27 shows a two mirror angle configuration of a two mirror galvanometer. 図28は、2ミラー検流計のための2つのさらなるミラー角度構成を示している。FIG. 28 shows two additional mirror angle configurations for a two-mirror galvanometer. 図29は、エンドエフェクタの第2実施例の第1のアクティブミラー28と、関連するアクチュエータ18および受動伝達リンケージ38を示す。FIG. 29 shows the first active mirror 28 and associated actuator 18 and passive transfer linkage 38 of the second embodiment of the end effector. 図30は、エンドエフェクタの第2実施例の第2のアクティブミラー30と、関連するアクチュエータ22および受動伝達リンケージ38を示す。FIG. 30 shows the second active mirror 30 and associated actuator 22 and passive transfer linkage 38 of the second embodiment of the end effector. 図31は、レーザステアリングエンドエフェクタの第2実施例のモジュラーコンポーネントを示している。Figure 31 shows the modular components of a second embodiment of a laser steering end effector. 図32は、エンドエフェクタの第2実施例の第1および第2のミラーの周波数応答の、それぞれ位相および振幅に関するプロットである。FIG. 32 is a plot of the frequency response of the first and second mirrors of the second embodiment of the end effector in terms of phase and amplitude, respectively. 図33は、エンドエフェクタの第2実施例の第1および第2のミラーの周波数応答の、それぞれ位相および振幅に関するプロットである。FIG. 33 is a plot of the frequency response of the first and second mirrors of the second embodiment of the end effector in terms of phase and amplitude, respectively. 図34は、エンドエフェクタの第2実施例のレーザステアリングシステムの高速運動によって作成された画像である。FIG. 34 is an image produced by the high speed motion of the laser steering system of the second embodiment of the end effector. 図35は、高速画像(3,900mm/秒で生成)が、エンドエフェクタの第2実施例のレーザシステムによって低速(7.8mm/秒)で生成された軌道と密接に一致している様子を示す。FIG. 35 shows how the high speed image (generated at 3,900 mm/sec) closely matches the trajectory generated at low speed (7.8 mm/sec) by the laser system of the second embodiment of the end effector. show.

添付の図面において、同様の参照文字は、異なる図を通して同一または類似の部品を指す。図面は必ずしも縮尺どおりではなくむしろ後述する特定の原理を説明することに重点が置かれている。テキスト(単語、参照文字、および/または数字)を含む図面について、テキストを含まない代替バージョンの図面は、本開示の一部であると理解されるべきであり、そのようなテキストのない正式な代替図面を代わりに使用してもよい。 In the accompanying drawings, like reference characters refer to the same or similar parts throughout the different views. The drawings are not necessarily to scale, emphasis rather being placed on illustrating certain principles described below. For drawings containing text (words, reference letters, and/or numbers), alternative versions of the drawings without such text are to be understood as being part of this disclosure and are to be understood as part of the present disclosure. Alternate drawings may be used instead.

本発明の様々な態様における上記および他の特徴および利点は、本発明の広い範囲内の様々な概念および特定の実施形態に関する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。上で紹介され以下でより詳細に論じられる主題の様々な態様は、多くの方法のいずれかで実施することができ、この主題は特定の実施方法に限定されない。特定の実装例と応用例は、主に説明の目的で提供されている。 These and other features and advantages of various aspects of the invention will become apparent from the following detailed description of various concepts and specific embodiments within the broad scope of the invention. The various aspects of the subject matter introduced above and discussed in more detail below can be implemented in any of a number of ways, and the subject matter is not limited to any particular implementation. Specific implementations and application examples are provided primarily for illustrative purposes.

本明細書で別段の定義、使用、または特徴付けがない限り、本明細書で使用される用語(技術用語および科学用語を含む)は、関連技術の文脈で受け入れられている意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、明示的に定義しない限り、理想化または過度に形式的な意味で解釈されないものとする。例えば、特定の組成物に言及する場合、その組成物は実質的に(完全ではないが)純粋であってよいが、実用的で不完全な現実が適用され得る。例えば、少なくとも微量の不純物(例えば、1または2%未満)の潜在的な存在は、説明の範囲内であると理解することができる。同様に、特定の形状に言及される場合、その形状は、例えば製造公差のために、理想的な形状からの不完全な変形を含むことが意図される。本明細書で表されるパーセンテージまたは濃度は、重量または体積比であり得る。以下に記載するプロセス、手順、および現象は、特に指定しない限り大気圧(すなわち、例えば約50~120kPa、約90~110kPaなど)および温度(すなわち、例えば-20~50°C、約10~35°Cなど)で発生し得る。 Unless otherwise defined, used, or characterized herein, the terms (including technical and scientific terms) used herein have meanings consistent with their accepted meanings in the context of the relevant art. and not in an idealized or overly formal sense unless explicitly defined. For example, when referring to a particular composition, that composition may be substantially (but not completely) pure, but practical imperfection realities may apply. For example, the potential presence of at least trace amounts of impurities (eg, less than 1 or 2%) can be understood to be within the scope of the description. Similarly, when a particular shape is referred to, that shape is intended to include imperfect variations from the ideal shape, eg, due to manufacturing tolerances. Percentages or concentrations expressed herein may be by weight or by volume. Unless otherwise specified, the processes, procedures, and phenomena described below employ atmospheric pressure (ie, for example, about 50-120 kPa, about 90-110 kPa, etc.) and temperature (ie, for example, −20-50° C., about 10-35° C.). °C).

本明細書では、第1、第2、第3などの用語を用いて様々な要素を説明するが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるものではない。これらの用語は、単に1つの要素を別の要素と区別するために使用されている。したがって、後述する第1の要素は、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第2の要素と呼ぶこともできる。 Although the terms first, second, third, etc. are used herein to describe various elements, these elements are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element from another. Thus, a first element discussed below could also be termed a second element without departing from the teachings of the exemplary embodiments.

「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」などの空間的に相対的な語は、図に示すように、説明を容易にするために、本明細書では1つの要素と別の要素の関係を説明するために使用され得る。空間的に相対的な語は、図示された構成と同様に、本明細書に記載され図示されている向きに加えて、使用中または動作中の装置の異なる向きを包含することを意図していることが理解されよう。例えば、図の装置を逆転した場合、他の要素または特徴の「下(below)」または「下(beneath)」と記述されていた要素は、当該他の要素または特徴の「上」に配向される。したがって、「上」という例示的な用語は、上と下の両方の向きを包含し得る。装置は、他の方法で方向付けられてもよく(例えば、90度回転または他の向き)、本明細書で使用される空間的に相対的な記述はそれに応じて解釈され得る。「約」という用語は、記載された値の±10%以内を意味し得る。さらに、値の範囲が提供される場合、各サブ範囲と当該範囲の上限と下限の間の個々の値が企図され、したがって開示されている。 Spatially relative terms such as "top", "bottom", "left", "right", "front", "back" are used herein for ease of explanation as shown in the figures. may be used in writing to describe the relationship of one element to another. Spatially relative terms are intended to encompass different orientations of the device in use or operation in addition to the orientations described and illustrated herein, as well as the configurations illustrated. It should be understood that there are For example, if the apparatus in the figures were reversed, an element described as "below" or "beneath" another element or feature would be oriented "above" that other element or feature. be. Thus, the exemplary term "top" can encompass both an orientation of up and down. The device may be oriented in other ways (eg, rotated 90 degrees or at other orientations), and the spatially relative statements used herein may be interpreted accordingly. The term "about" can mean within ±10% of the stated value. Further, when a range of values is provided, each subrange and each individual value between the upper and lower limits of the range is contemplated and thus disclosed.

さらに、本開示において、要素が別の要素に対して「上に(on)」、「接続」、「結合」、「接触」などと言及される場合、特に明記しない限り、他の要素の直接上にあるか、接続、結合、接触してもよいし、介在する要素が存在してもよい。 Further, in this disclosure, when an element is referred to as “on,” “connected,” “coupled,” “in contact with,” etc. another element, the other element is directly attached to the other element unless otherwise stated. It may be overlying, connected, coupled, touching, or there may be intervening elements.

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することを目的としており、例示的な実施形態を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、冠詞「a」および「an」で導入されるような単数形は、文脈が他に示さない限り、複数形も含むことが意図される。さらに、「含む」、「含んでいる」、「具える」および「具えている」という用語は、記載された要素またはステップの存在を特定するが、1つまたは複数の他の要素またはステップの存在または追加を排除するものではない。 The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments and is not intended to be limiting of example embodiments. As used herein, singular forms such as those introduced by the articles "a" and "an" are intended to include plural forms as well, unless the context indicates otherwise. Additionally, the terms “comprising,” “contains,” “comprising,” and “comprising” specify the presence of a recited element or step but not one or more other elements or steps. does not preclude its presence or addition.

さらに、ここで特定された様々な構成要素は、組み立てられた完成形で提供することができる。または、構成要素の一部または全部を一緒にパッケージ化して、完成品を作るために顧客が組み立ておよび/または変更するための説明書(例えば、書面、ビデオ、または音声形式)を含むキットとして販売することができる。 Additionally, the various components identified herein may be provided in a fully assembled form. or sold as a kit containing instructions (e.g., in written, video, or audio format) for the customer to assemble and/or modify some or all of the components together to create a finished product; can do.

低侵襲手術では、自然の開口部または小さな外部切開を通して内部の解剖学的構造にアクセスできる。これには、ステントのカテーテル送達(血管形成術)、消化管の柔軟な内視鏡検査、腹部疾患の腹腔鏡治療、神経疾患に対する経鼻的頭蓋骨基部手術などの多様な診療が含まれる。これらの手術の多くに共通しているのは、組織を操作して手術部位を視覚化するために、ツールの遠位端における手首関節の必要性である。この関節の必要性は、ロボット工学を低侵襲手術に導入する重要な動機となり、現在も活発な研究開発が行われている。 Minimally invasive surgery allows access to internal anatomy through natural orifices or small external incisions. This includes interventions as diverse as catheter delivery of stents (angioplasty), flexible endoscopy of the gastrointestinal tract, laparoscopic treatment of abdominal disease, and transnasal skull base surgery for neurological disease. Common to many of these surgeries is the need for a wrist joint at the distal end of the tool to manipulate tissue and visualize the surgical site. The need for this joint has been an important motivation for the introduction of robotics into minimally invasive surgery, and is still an active area of research and development.

近接作動ケーブル伝送アプローチは、アクセス方法と解剖学的構造のサイズによって課せられる重大なサイズの制約により、手首関節運動を達成するために卓越している。しかしながら、ケーブル駆動の欠点がよく知られており、出力はケーブルの許容張力によって制限され、帯域幅は直列弾性とバックラッシュ抑制プリロードコンポーネントの質量と弾性によって制限される。これらの制約は、ケーブル作動の制約なしに器用さを達成する形状記憶アクチュエータ、空気圧流体、フレキシブルロッドなどの他の手段で作動する新しい遠位器官メカニズムを開発する重要な研究努力の動機付けとなった。 Proximal actuation cable transmission approaches are superior to achieve wrist joint motion due to the significant size constraints imposed by the access method and anatomical size. However, the drawbacks of cable drives are well known: power output is limited by the cable's allowable strain, and bandwidth is limited by the series elasticity and the mass and elasticity of the anti-backlash preload component. These constraints have motivated significant research efforts to develop novel distal organ mechanisms actuated by other means, such as shape memory actuators, pneumatic fluids, and flexible rods, that achieve dexterity without the constraints of cable actuation. rice field.

本書では、低侵襲手術で使用される器具のサブセット、特にエネルギー供給に使用されるツールに焦点を当てる。一般的な外科的エネルギー源には、単極および双極の高周波電流(電気手術)、熱焼灼(直流加熱)、超音波振動、アルゴンビーム凝固(アルゴンが高周波電流の伝導を補助する)、およびレーザが含まれる。これらのツールは、体内深部の組織の切断、凝固、乾燥、および炭化を可能にするため、手術のワークフローに不可欠である。これらの異なるエネルギー源は、最終的に組織の加熱によるタンパク質の変性という同じ効果をもたらす。さらに、これらのエネルギー源は現在、同じような方法で使用されている。具体的には、エネルギー源を組織に近づけ(例えば、数ミリメートル以内)、電極またはファイバから治療中の解剖学的構造に直接エネルギーを供給する。 This document focuses on a subset of instruments used in minimally invasive surgery, specifically tools used for energy delivery. Common surgical energy sources include monopolar and bipolar radiofrequency currents (electrosurgery), thermal ablation (direct current heating), ultrasonic vibrations, argon beam coagulation (argon helps conduct radiofrequency currents), and lasers. is included. These tools enable cutting, coagulation, desiccation, and charring of tissue deep within the body and are therefore essential to the surgical workflow. These different energy sources end up with the same effect of denaturing proteins by heating the tissue. Moreover, these energy sources are now being used in similar ways. Specifically, the energy source is brought close to the tissue (eg, within a few millimeters) and energy is delivered directly from the electrode or fiber to the anatomy being treated.

しかしながら、レーザエネルギーの供給に関しては、より洗練されたアプローチが可能である。現在のレーザベースの器具は静的で密着する方法で使用されるが、レーザエネルギーを操作する手首部分として小型レーザ検流計を用いる動的アプローチを採用することもできる。レーザは低慣性の光学部品を使用して集光・操作できるため、高帯域幅の遠位作動を利用してレーザの位置を制御することができる。これにより、ロボットの手首が機械的エンドエフェクタに与えるのと同じ利点(すなわち、コーナーや障害物を回避して操縦する機能)が得られる一方で、広範囲にわたって組織上へのレーザ速度を正確に制御する追加機能を実現する。これは、レーザ速度はレーザ照射の持続時間に強く影響するため重要であり、切開深度、熱損傷の広がり、止血効果などにおいてレーザと組織の相互作用の質を決定する重要な要素である。 However, more sophisticated approaches are possible for the delivery of laser energy. Although current laser-based instruments are used in a static, close-contact manner, a dynamic approach using a miniature laser galvanometer as the wrist for manipulating laser energy can also be employed. Because the laser can be focused and steered using low-inertia optics, high-bandwidth distal actuation can be used to control the laser's position. This provides the same advantages that a robotic wrist gives a mechanical end effector (i.e. the ability to maneuver around corners and obstacles), while precisely controlling the laser velocity onto the tissue over a wide range. to achieve additional functionality. This is important because the laser velocity strongly affects the duration of laser irradiation, and is a key factor in determining the quality of laser-tissue interaction, such as incision depth, extent of thermal damage, and hemostatic effect.

このタイプのロボットデバイスを作成する際の課題は、小さなパッケージに対する必要な光・電気・機械の複雑度である。デバイスの直径は重要な制約であり、使用される手術器具の種類によって異なる。一般的に使用されるツールの例は、様々なサイズにわたる:大腸内視鏡は9.7~14.8mm(Olympus Medical SystemsのPCF-PH190I/LやCF-FH260AZI/Lなど)、腹腔鏡ツールは5~8mm(Intuitive Surgicalのda VinciSPなど)、経鼻アクセス用鼻腔鏡は2.6~4.9mm(Olympus Medical SystemsのENF-V3やENF-VT3鼻腔鏡など)、心臓カテーテルは2.67~3.33mm(Biosense WebsterのAcuNavカテーテルなど)などである。 A challenge in creating this type of robotic device is the required optical, electrical, and mechanical complexity for a small package. Device diameter is an important constraint and depends on the type of surgical instrument used. Examples of commonly used tools range in size: Colonoscopes 9.7-14.8 mm (such as PCF-PH190I/L and CF-FH260AZI/L from Olympus Medical Systems), laparoscopic tools is 5-8 mm (such as Intuitive Surgical's da VinciSP), 2.6-4.9 mm for nasal access rhinoscopy (such as Olympus Medical Systems' ENF-V3 and ENF-VT3 rhinoscopy), and 2.67 for cardiac catheters. ~3.33 mm (such as Biosense Webster's AcuNav catheter).

ミリメートルスケールの設計と製造におけるブレークスルーを用いて、マイクロロボットレーザビームステアリングをこれらのツールのサブセットと統合する方法を示す。我々のアプローチは、ロボット工学と医学における最近の進歩に基づき、ミリメートルスケールのアクチュエータやセンサを活用して、ツールのより正確な制御と組織の操作を実現する。このレーザステアリングソリューションの例は直径6mmであり、したがって柔軟な消化器外科や単孔式腹腔鏡手術の既存のワークフローにシームレスに統合できる。この設定では、従来のツールの適応が難しく、レーザが特に重要であった。 Using breakthroughs in millimeter-scale design and manufacturing, we demonstrate how microrobotic laser beam steering can be integrated with a subset of these tools. Our approach builds on recent advances in robotics and medicine, leveraging millimeter-scale actuators and sensors for more precise control of tools and manipulation of tissue. This laser steering solution example is 6 mm in diameter and therefore seamlessly integrates into existing workflows for flexible gastrointestinal and single-injection laparoscopic surgery. Conventional tools were difficult to adapt to this setting, and lasers were particularly important.

マイクロロボットレーザビームステアリングを有するエンドエフェクタは、大腸内視鏡(Olympus CF-100L)などの手術器具と統合することができる。エンドエフェクタは、手術器具の外部に取り付けることもできるし、十分に小さいため、特殊用途のフレキシブルスコープに内部統合することもできる。装置の長さは16mmで、1.2kHzの機械的帯域幅で2つの直交軸上で±10°を超える集束レーザビームを操縦する機能を有する。 End effectors with microrobotic laser beam steering can be integrated with surgical instruments such as colonoscopes (Olympus CF-100L). The end effector can be attached externally to the surgical instrument or small enough to be internally integrated into a special purpose flexible scope. The device is 16 mm long and has the ability to steer a focused laser beam over ±10° on two orthogonal axes with a mechanical bandwidth of 1.2 kHz.

達成されるパフォーマンスは、嵩張って遅くなりがちな現在の技術を大幅に改善したことを表している。これらのソリューションはすべて、直径が1センチメートルより大きく、長さが2センチメートルより長い。これらのデバイスは、我々の装置と同様の動作範囲を実現するが、アクチュエータやその機構によって速度が犠牲になっている。これに対し、我々のアプローチでは、屈曲型伝達部を介して動作する圧電曲げアクチュエータを使用して、低慣性ミラーの回転運動を生成する。これにより、現在の技術よりも1~2桁大きい機械的帯域幅と、優れた再現性(すなわち精度)を実現する。 The performance achieved represents a significant improvement over current technology, which tends to be bulky and slow. All of these solutions are greater than 1 centimeter in diameter and greater than 2 centimeters in length. These devices achieve a range of motion similar to ours, but at the cost of speed due to the actuators and their mechanics. In contrast, our approach uses piezoelectric bending actuators operating through bending-type transmissions to generate rotational motion of low-inertia mirrors. This allows for mechanical bandwidths one to two orders of magnitude greater than current technology and excellent reproducibility (ie accuracy).

ここでは、最先端の装置のパフォーマンスを超えることを可能にする、設計、製造、および制御における大幅な進歩について説明する。これらには、小型レーザ検流計を構築するための一般的な原理と、装置の具体的な設計の詳細が含まれる。我々のアプローチでは、装置をモジュール(レンズ、アクチュエータ、ミラーなど)に分け、それぞれ個別に検証してからディスクにマウントし、共通の機械的グラウンドとして機能するレール付き上部構造に組み立てることで、組立部品の数を最小限に抑え重要部品の調整を容易にする。製造面では、ラミネーション技術を用いて、小型化を犠牲にすることなく大角度のミラー回転を生成できる小型のコンプライアント機構を作成できる。制御面では、圧電曲げアクチュエータと中間機構のヒステリシスを補正する低次元ヒステリシス補正方式を用いることができる。 Here, we describe significant advances in design, manufacturing, and control that allow us to exceed the performance of state-of-the-art devices. These include general principles for constructing miniature laser galvanometers and specific design details of the device. Our approach is to divide the device into modules (lenses, actuators, mirrors, etc.), validate each one individually, mount them to the disk, and assemble them into a railed superstructure that serves as a common mechanical ground, thus creating an assembly of parts. Minimize the number of parts and facilitate the adjustment of critical parts. In terms of manufacturing, lamination techniques can be used to create compact compliant mechanisms that can produce large angles of mirror rotation without sacrificing compactness. On the control side, a low order hysteresis correction scheme can be used to correct the hysteresis of the piezoelectric bending actuators and intermediate mechanisms.

経口ロボット手術で使用するための、小型レーザステアリングエンドエフェクタ10を含むレーザ走査システムが図1に示されている。この装置は、光ファイバ12からレーザ入力を受け取り、手術面上の集束スポットを操縦する。この装置は、視覚化とエンドエフェクタの目的位置へのナビゲートを支援するために内部空洞を照らす低出力のナビゲートレーザと、組織を切断するための高出力の外科用レーザとを含む2つのレーザを含み得る。レーザは、光ファイバ12からコリメータ14を通って機械構造16へと通過し、これが第1のリンク・ミラーアセンブリ20を変位させるように構成された第1のリンケージアクチュエータ18と、第2のリンク・ミラーアセンブリ24を変位させるように構成された第2のリンケージアクチュエータ22とを具える。図2および図3は、レーザベースの組織切除で使用される典型的なカットプロファイルを示す長時間露光写真である。 A laser scanning system including a miniature laser steering end effector 10 for use in oral robotic surgery is shown in FIG. This device receives laser input from an optical fiber 12 and steers a focused spot on the surgical surface. The device includes two low-power navigation lasers that illuminate the internal cavity to aid in visualization and navigating the end effector to its desired location, and a high-power surgical laser to cut tissue. It may contain a laser. The laser passes from the optical fiber 12 through the collimator 14 to the mechanical structure 16 which passes through a first linkage actuator 18 configured to displace a first link and mirror assembly 20 and a second link and mirror assembly. and a second linkage actuator 22 configured to displace the mirror assembly 24 . Figures 2 and 3 are long exposure photographs showing typical cut profiles used in laser-based tissue ablation.

図4~11に示すように、最近開発された微細加工技術P. S. Sreetharanらの「Monolithic fabrication of millimeter-scale machines」、Journal of Micromechanics and Microengineering、Vol. 22、No. 5、055027 (2012)を使用して、小型の機械式受動伝達リンケージ38を作成することができ、これが高帯域幅圧電曲げアクチュエータ18および22の準線形運動を、固定ミラー42からのビーム反射後にレーザビームを受け取るミラー28および30を配向させるのに用いる回転運動へと変換する。この装置の例では、アクチュエータ18および22からの2つの作動入力が標的組織の直交方向の切除に対応するように、直交して配置された2つのそのようなアクチュエータ-伝達部-ミラーの組み合わせを含む。光は、レーザ入射導管36内の光ファイバを用いてレーザスキャナに伝送され、そこで出力はフリービーム(もはやファイバ内にない)として、勾配指数コリメートレンズ32および小型平凸集束レンズ34のアセンブリに供給される。次いで、このフリーで集束されたビームは、クランク・スライダ伝達部を使用して2つのアクティブミラー28および30を回転させて、作動サブシステム50(図10)からの線形アクチュエータの運動を所望の回転運動へと変換することによって操縦される。走査フレーム40(剛性ロッド94にスライド可能に取り付けられた剛性ディスクプラットフォーム92を含む)が、アクチュエータ18および22および伝達部38に機械的グラウンドを提供するとともに、光学サブシステム48(図9)とミラーサブシステム52(図11)の間の正確な位置合わせを保証する。 As shown in Figures 4 to 11, the recently developed microfabrication technology P. S. Sreetharan et al., "Monolithic fabrication of millimeter-scale machines", Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 22, No. 5, 055027 (2012) is used. can be used to create a miniature mechanical passive transfer linkage 38 that directs the quasi-linear motion of high bandwidth piezoelectric bending actuators 18 and 22 to mirrors 28 and 30 that receive the laser beam after beam reflection from fixed mirror 42 . into a rotational motion that is used to orient the In this example device, two such actuator-transmission-mirror combinations are arranged orthogonally such that the two actuation inputs from actuators 18 and 22 correspond to orthogonal ablation of the target tissue. include. The light is transmitted to the laser scanner using an optical fiber in laser input conduit 36, where the output is fed as a free beam (no longer in the fiber) to a gradient index collimating lens 32 and compact plano-convex focusing lens 34 assembly. be done. This free, focused beam then rotates the two active mirrors 28 and 30 using a crank-slider transmission to direct linear actuator motion from the actuation subsystem 50 (FIG. 10) to the desired rotation. Maneuvered by transforming it into motion. Scan frame 40 (including rigid disk platform 92 slidably mounted on rigid rods 94) provides mechanical ground for actuators 18 and 22 and transmission 38, as well as optical subsystem 48 (FIG. 9) and mirrors. Ensures accurate alignment between subsystems 52 (FIG. 11).

図4~7に示すように、エンドエフェクタ10は、米国特許第9,038,942B2号(Harvard)に記載されているように、圧電バイモルフカンチレバー18および22の形態の2つのアクチュエータ18および22を含むことができる。 As shown in FIGS. 4-7, the end effector 10 has two actuators 18 and 22 in the form of piezoelectric bimorph cantilevers 18 and 22, as described in US Pat. No. 9,038,942 B2 (Harvard). can contain.

圧電バイモルフカンチレバー18および22は、R. Woodの「The First Takeoff of a Biologically Inspired At-Scale Robotic Insect」、IEEE Transactions on Robotics、24(2)、341 (2008)に記載されているように、スマート複合微細構造製造技術を介して製造することができる。まず、個々の薄層(例えば、PbZrTiO(PZT)-5H圧電層とM60J炭素繊維/シアン酸エステル樹脂プリプレグ層)をレーザマイクロ加工して、目的のリンク形状にする。次に、これらの層を積み重ねて位置合わせし、温度、圧力、および硬化時間を調整する制御された硬化サイクルにかける。得られたアクチュエータ18および22はそれぞれ、近位側がフレーム40(複数の剛性ロッド94に沿って取り付けられた複数の剛性プレート92を含む)に、および遠位側が受動受動伝達リンケージ38に固定され、この受動リンケージ38は、カンチレバーアクチュエータ18/22の曲げ変位を変換して、アクティブミラー28/30の1つの傾きを調整して、レーザの反射を所望のターゲットに向けるための伝達構造を提供する。電圧源もアクチュエータ18/22と結合されており、圧電層のいずれかに電圧を印加すると、アクチュエータ18/22が曲がる。 The piezoelectric bimorph cantilevers 18 and 22 are smart, as described in R. Wood, "The First Takeoff of a Biologically Inspired At-Scale Robotic Insect," IEEE Transactions on Robotics, 24(2), 341 (2008). It can be manufactured via composite microstructure fabrication techniques. First, individual thin layers (eg, PbZrTiO 3 (PZT)-5H piezoelectric layer and M60J carbon fiber/cyanate ester resin prepreg layer) are laser micromachined into the desired link shape. These layers are then stacked and aligned and subjected to a controlled cure cycle that regulates temperature, pressure, and cure time. The resulting actuators 18 and 22 are each fixed proximally to the frame 40 (including a plurality of rigid plates 92 attached along a plurality of rigid rods 94) and distally to the passive transmission linkage 38, This passive linkage 38 provides a transfer structure for translating the bending displacement of the cantilever actuator 18/22 to adjust the tilt of one of the active mirrors 28/30 to direct the reflection of the laser to the desired target. A voltage source is also coupled to the actuators 18/22 such that application of a voltage to either of the piezoelectric layers causes the actuators 18/22 to bend.

通路伝達リンケージ38の1つとアクティブミラー28/30の1つとの結合が図11に示されている。ミラー28/30は、フレーム内の機械的グラウンドプレート54から延びる剛性マウントに取り付けられた回転ピン44を中心に回転するように取り付けられ、受動リンケージ38の変位を介して剛性マウント内の回転ピン44が回転すると、アクティブミラー28/30の傾斜角に変化が生じる。 The coupling of one of the way transfer linkages 38 and one of the active mirrors 28/30 is shown in FIG. The mirror 28/30 is mounted for rotation about a pivot pin 44 attached to a rigid mount extending from a mechanical ground plate 54 in the frame and through displacement of a passive linkage 38 to pivot pin 44 in the rigid mount. rotation causes a change in the tilt angle of the active mirror 28/30.

設計の要件は、想定される手術環境から導き出される。声帯の公称サイズに応じて、10×20mmの目標視野を選択する。引き込みツール、視覚化、および照明のための空間を確保するために、装置の直径の上限を13mmに選択した。走査システムの画角を最小限に抑えながら、視覚化と組織操作のニーズのバランスをとるために、20mmのスタンドオフ距離を選択した。最後に、TLMで使用されている走査システムに従って、250μmのターゲットスポットサイズと100mm/sのターゲット表面速度を選択した。 Design requirements are derived from the envisaged surgical environment. A target field of view of 10×20 mm is selected according to the nominal size of the vocal cords. The upper diameter limit of the apparatus was chosen to be 13 mm to allow room for retraction tools, visualization, and illumination. A standoff distance of 20 mm was chosen to balance the needs of visualization and tissue manipulation while minimizing the angle of view of the scanning system. Finally, we chose a target spot size of 250 μm and a target surface velocity of 100 mm/s, according to the scanning system used in the TLM.

喉頭手術では、CO、リン酸チタニルカリウム(KTP)、ダイオードレーザなど、様々なレーザが使用される。COレーザは多くの状況で好ましい選択だが、この波長を高出力で伝送する光ファイバはコア径が大きくなる傾向があり、これは設計要件を超えるスポットサイズとなる。そこで、Nufern Inc.の35μmコアPM780-HPファイバを用いて、高出力(60W)で伝送可能なダイオードレーザで使用する試作機を設計した。ただし、このプロトタイプでは、低出力の光ファイバ検査レーザを使用してその機構を検証した。焦点距離6.17mmのコリメータと38.1mmの集光レンズを選択し、コア径35μm、開口数0.12の光ファイバと組み合わせた場合にスポット径210μmが得られるとした。両方のレンズは非球面平凸で収差を抑えている。ミラーサイズは2×2mmと2×5mm、初期角度は40°で、後述する運動学的分析に従って選択した。装置のサイズは大きくなったが、統合の簡略化のために、既製の工場調整済のファイバ結合型コリメータ(Thorlabs社のF110FC-633)の使用を選択した。 A variety of lasers are used in laryngeal surgery, including CO2 , potassium titanyl phosphate (KTP), and diode lasers. CO2 lasers are the preferred choice in many situations, but optical fibers that transmit this wavelength at high power tend to have large core diameters, which results in spot sizes that exceed design requirements. Therefore, Nufern Inc. 35 μm core PM780-HP fiber was used to design a prototype for use with a diode laser capable of transmitting at high power (60 W). However, in this prototype, a low-power fiber optic inspection laser was used to verify the mechanism. A collimator with a focal length of 6.17 mm and a condenser lens with a focal length of 38.1 mm were selected, and it was assumed that a spot diameter of 210 µm was obtained when combined with an optical fiber with a core diameter of 35 µm and a numerical aperture of 0.12. Both lenses are aspheric plano-convex to reduce aberrations. Mirror sizes of 2×2 mm and 2×5 mm with an initial angle of 40° were selected according to the kinematic analysis described below. We chose to use an off-the-shelf, factory-adjusted fiber-coupled collimator (Thorlabs F110FC-633) for simplicity of integration, although the size of the device increased.

アクチュエータの長さは、装置が大幅に長くならずに適切な変位を実現するために、10.6mmと12.1mmを選択した。伝達剛性はアクチュエータの出力剛性にほぼ等しいと仮定し、これはアクチュエータの撓みが自由たわみの2分の1に減少することを意味する。この仮定の下で、200V(圧電セラミックアクチュエータ材料の損傷を避けるための動作電圧の上限)でのアクチュエータの撓みは、それぞれ±200μmと±220μmである。 Actuator lengths of 10.6 mm and 12.1 mm were chosen to achieve adequate displacement without significantly lengthening the device. We assume that the transmission stiffness is approximately equal to the actuator output stiffness, which means that the actuator deflection is reduced to one-half the free deflection. Under this assumption, the actuator deflections at 200 V (the upper limit of the operating voltage to avoid damage to the piezoceramic actuator material) are ±200 μm and ±220 μm, respectively.

上記の光学モデルを使用し、装置の直径を最小にするためのミラーの配置を考慮して、有利な可動範囲は、第1のミラーで±10°、第2のミラーで±15°であると判断した。これらの動きを生成するために、図12に示すクランクスライダのリンク長を以下のクランクとスライダの環形に従って選択した(リンク(a)は両方のミラーで2mmの長さであり、リンク(d)の長さは第1のミラーで0.9mm、第2のミラーで0.6mm)。

Figure 2022553752000002

ここで、θはクランクスライダの初期角度、Δはアクチュエータの撓み量、xはスライダとピボット間の初期距離である。初期角度θは、第1のミラーでは70°、第2のミラーでは75°である。2つのリンクのうち、クランクアームの長さが出力運動に最も影響を与え、それが小さいほど出力運動が大きくなるため伝達比が大きくなる。また、機構の初期角度も重要であり、これは対称性と出力振幅をトレードオフするものである。我々は非対称性を最小限に抑えながら、目的の可動範囲を実現したリンケージ構成を選択した。製作したリンケージを図13および14に示す。 Using the above optical model and considering the placement of the mirrors to minimize the diameter of the device, an advantageous range of motion is ±10° for the first mirror and ±15° for the second mirror. I decided. To produce these movements, the link lengths of the crank slider shown in FIG. is 0.9 mm for the first mirror and 0.6 mm for the second mirror).
Figure 2022553752000002

where θ 0 is the initial angle of the crank slider, Δ x is the deflection of the actuator, and x 0 is the initial distance between the slider and pivot. The initial angle θ 0 is 70° for the first mirror and 75° for the second mirror. Of the two links, the length of the crank arm has the most effect on the output motion, and the smaller it is, the greater the output motion and thus the greater the transmission ratio. Also important is the initial angle of the mechanism, which trades off symmetry and output amplitude. We chose a linkage configuration that achieved the desired range of motion while minimizing asymmetry. The fabricated linkage is shown in FIGS. 13 and 14. FIG.

式1で表される、クランクとスライダの関係によって決定されるミラー角度が与えられると、ターゲット平面上のレーザスポットの位置は、鏡面反射のベクトル定式化を使用して求めることができる。使用される記号および幾何学的定義は、図15に示すシステム概略図で与えられ、これは第1のミラー28および第2のミラー30から標的面58に反射するレーザビーム46の軌道を示している。i番目の座標系のj番目の基底ベクトルは

Figure 2022553752000003

で表される。i番目のフレームに関して点pから点pに向かう単位ベクトルは、
Figure 2022553752000004

で表される。i番目の座標系に対するj番目の座標系の方向。i軸を中心とした角度θの基本回転。Hはy軸を中心としたハウスホルダ変換である。 Given the mirror angle determined by the crank-to-slider relationship, expressed in Equation 1, the position of the laser spot on the target plane can be determined using the vector formulation of specular reflection. The symbols and geometric definitions used are given in the system schematic diagram shown in FIG. there is The j-th basis vector of the i-th coordinate system is
Figure 2022553752000003

is represented by The unit vector from point pj to point pk for the i -th frame is
Figure 2022553752000004

is represented by Orientation of the j-th coordinate system relative to the i-th coordinate system. A fundamental rotation of angle θ about the i-axis. H y is the Householder transform about the y-axis.

3D空間でのミラーの向きは、以下の式で与えられる。

Figure 2022553752000005

ここで、θ1,0は第1のミラーの初期方向を示す設計変数である。ここで、第1のミラー28から反射されたビーム46は、以下の方向を有する:
Figure 2022553752000006

そして、ビーム46は、以下の式で表される距離d12を経た後に第2のミラー30と交差する。
Figure 2022553752000007

したがって、第2のミラー30上のレーザビーム46の位置pは、以下の式によって与えられる。
Figure 2022553752000008

同様に、第2のミラー30からの反射ビーム46は、以下の方向となり:
Figure 2022553752000009

以下の距離d2t後にターゲット平面58と交差する。
Figure 2022553752000010

最終的に、ターゲット平面上のレーザスポットの位置pは次の式で求められる:
Figure 2022553752000011
The orientation of the mirror in 3D space is given by the following equation.
Figure 2022553752000005

where θ 1,0 is a design variable indicating the initial orientation of the first mirror. The beam 46 reflected from the first mirror 28 now has the following directions:
Figure 2022553752000006

Beam 46 then intersects second mirror 30 after traversing a distance d12 given by the following equation.
Figure 2022553752000007

Therefore, the position p2 of the laser beam 46 on the second mirror 30 is given by the following equation.
Figure 2022553752000008

Similarly, the reflected beam 46 from the second mirror 30 will be in the following directions:
Figure 2022553752000009

It intersects the target plane 58 after a distance d 2t of:
Figure 2022553752000010

Finally, the position pt of the laser spot on the target plane is given by:
Figure 2022553752000011

伝達リンケージの製造に使用される製造プロセスは、 P. S. Sreetharanらの「Monolithic fabrication of millimeter-scale machines」、Journal of Micromechanics and Microengineering、Vol. 22、No. 5、055027 (2012)で開発されたアプローチに基づいており、図16~21に示されている。剛性材料60(例:鋼)と、より柔軟な材料62(例:ポリイミド)と、接着剤64(例:アクリル接着剤)との個々の層を、7W、355nmDPSSレーザ微細加工システム(オックスフォード・レーザEシリーズ)を用いて切断してから、整列させ、加熱プレス(その下部プレート66が図17に示されている)にセットして、層60、62、および64を一緒に結合する。結合された積層体をプレスから取り外し、図18に示すように、予備的なリリースカットを行う。その後、積層体は、図19に示すように、それらの所望の構成に曲げられる。第1のミラー伝達部は、図20に示すように、組み立てジグ70の使用を伴って正しい角度に曲げ、第2のミラーは、積層に用いられる位置合わせピンを利用する。次に、シアノアクリレート(CA)接着剤を使用して積層体を整列した構成でロックし、最終的なカットを実行して所望の自由度に解放する。各リンケージ38は共焦点顕微鏡下に設置され、その機能寸法が測定され、プロセスが検証される。リンケージ38の製造は非常に再現性の高いプロセスであり、構築された12個のリンケージすべてにおいて標準偏差が所望の値の4%未満であり、これはリンケージ伝達率の5%の変動に相当する。積層型伝達リンケージ38は、可撓性材料が露出する剛性リンク間の長手方向のギャップにおいて曲がる(回動に近い)こととなる。 The manufacturing process used to manufacture the transmission linkage follows the approach developed in P. S. Sreetharan et al., "Monolithic fabrication of millimeter-scale machines", Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 22, No. 5, 055027 (2012). based and shown in Figures 16-21. Individual layers of rigid material 60 (e.g. steel), softer material 62 (e.g. polyimide), and adhesive 64 (e.g. acrylic adhesive) are processed by a 7 W, 355 nm DPSS laser micromachining system (Oxford laser E series), then aligned and set in a heated press (the bottom plate 66 of which is shown in FIG. 17) to bond layers 60, 62, and 64 together. The bonded laminate is removed from the press and a preliminary release cut is made as shown in FIG. The laminations are then bent into their desired configuration as shown in FIG. The first mirror transmission part is bent to the correct angle with the use of an assembly jig 70, as shown in FIG. 20, and the second mirror utilizes alignment pins used for lamination. Cyanoacrylate (CA) adhesive is then used to lock the laminate in an aligned configuration and a final cut is made to release the desired degrees of freedom. Each linkage 38 is placed under a confocal microscope and its functional dimensions are measured to verify the process. The manufacture of linkages 38 was a highly reproducible process with standard deviations of less than 4% of the desired value for all 12 linkages constructed, which corresponds to a 5% variation in linkage transmissibility. . The laminated transfer linkage 38 will flex (near pivot) in the longitudinal gaps between the rigid links where the flexible material is exposed.

クランクスライダのリンク長が短いため、組み立てが困難だが、物理的なアームを後方に曲げて仮想リンクを作成することにより(図13および14に示すように)、取り扱いが大幅に容易になる。さらに、このアプローチを用いると、屈曲部の曲げ角度が静止時にゼロになり、弾性変形領域内にとどまるようになる。 The short link length of the crank slider makes it difficult to assemble, but by bending the physical arm backwards to create a virtual link (as shown in Figures 13 and 14), handling is greatly facilitated. Furthermore, using this approach, the bending angle of the flexure is zero at rest and stays within the elastic deformation region.

リンケージのグラウンド接続部は、5軸CNCマシン(Bridgeport、Hardinge, Inc.)で製作した7075アルミニウム合金のベース構造に取り付けられる。ミラーは、アルミニウムをスパッタリングした厚さ100μmの溶融シリカウェハ(Denton Vacuum Desktop Pro社製)をレーザ切断した作成した。組み立て中に反射コーティングを保護するために、保護ゲル層をミラー上に追加した。その後、リンケージをそれぞれのアクチュエータに結合してから機械構造に挿入し、位置合わせピンと圧入プレートで所定の位置に固定した。次に、アクチュエータのベースと伝達部のグラウンドリンケージをシアノアクリレート接着剤で機械構造に接着した。最後に、ミラーから保護ゲル層を伸長に取り除いて、製造を完了した。 The ground connection of the linkage is attached to a 7075 aluminum alloy base structure fabricated on a 5-axis CNC machine (Bridgeport, Hardinge, Inc.). The mirror was prepared by laser cutting a 100 μm thick fused silica wafer (manufactured by Denton Vacuum Desktop Pro) on which aluminum was sputtered. A protective gel layer was added over the mirror to protect the reflective coating during assembly. The linkages were then attached to their respective actuators, inserted into the mechanical structure, and secured in place with alignment pins and press-fit plates. The actuator base and transmission ground linkage were then glued to the mechanical structure with cyanoacrylate glue. Finally, the protective gel layer was removed from the mirror by extension to complete the fabrication.

クランクスライダの運動モデル(式1)を検証するために、ミラー角度とアクチュエータの変位をアクチュエータ電圧の関数として測定した。ミラー角度は、高倍率検査カメラ(Pixelink社のPIXELINKPL-B741F)を使用して静的電圧入力で測定し、アクチュエータ変位はレーザドップラー振動計(PolytecGMBHのPSV-500振動計)を使用して1Hzの準静的サイクル入力で測定した。図22では、特定の電圧で測定されたアクチュエータ変位から導出された理論値とともに、測定された28”/30”と予測された28’/30’のミラー角度がアクチュエータ入力の関数としてプロットされている。結果は、このモデルがリンケージの幅広い挙動をうまく捉えていることを示している。測定データの平均絶対誤差は、第1ミラー28”と第2ミラー30”でそれぞれ0.6°と1.2°であった。 To verify the motion model of the crank slider (equation 1), the mirror angle and actuator displacement were measured as functions of the actuator voltage. Mirror angles were measured with a static voltage input using a high magnification inspection camera (Pixelink PL-B741F from Pixelink) and actuator displacement was measured at 1 Hz using a laser Doppler vibrometer (PSV-500 vibrometer from Polytec GMBH). Measured with a quasi-static cycle input. In FIG. 22, the measured 28″/30″ and predicted 28′/30″ mirror angles are plotted as a function of actuator input, along with theoretical values derived from measured actuator displacements at specific voltages. there is The results show that the model successfully captures a wide range of linkage behavior. The average absolute error of the measured data was 0.6° and 1.2° for the first mirror 28″ and the second mirror 30″, respectively.

入力駆動周波数の安全境界を見つけるために、モーションアクチュエータ-伝達部-ミラーサブシステムの両方で周波数分析を実施した。同じレーザドップラー振動計を用いて、低電圧、ホワイトノイズ入力の下でデータを収集した。結果を図23に示す。予想どおり、両サブシステムは2次線形システムに近似している。共振周波数は850Hzと750Hzで、物理的な直感と一致している。アクチュエータのフリービーム共振(1.6kHz)は、伝達部の質量が増加したために減少している。 A frequency analysis was performed on both the motion actuator-transmission-mirror subsystems to find a safe boundary for the input drive frequency. Data were collected under low voltage, white noise input using the same laser Doppler vibrometer. The results are shown in FIG. As expected, both subsystems approximate second order linear systems. The resonance frequencies are 850Hz and 750Hz, which is consistent with physical intuition. The free beam resonance (1.6 kHz) of the actuator is reduced due to the increased mass of the transmission section.

装置のビームステアリング機能を検証するために、すべて光学テーブルに取り付けられている200mmマクロレンズと2つの非フリッカーフラッドライトとを有する較正済み高速カメラ(Vision Research, Inc.のPHANTOM V710カメラ)を組み込んだベンチトップ走査アリーナを作成した。カメラビューを、画像の位置合わせに用いるグリッド75とともに図24に示す。1ピクセルは画像平面の50μmに対応する。ターゲットから20mmの決められたスタンドオフ距離で、装置を光学テーブルに固定した。 A calibrated high-speed camera (PHANTOM V710 camera from Vision Research, Inc.) with a 200 mm macro lens and two non-flickering floodlights, all mounted on an optical table, was incorporated to verify the beam-steering capabilities of the device. A benchtop scanning arena was created. The camera view is shown in Figure 24 along with the grid 75 used to align the images. One pixel corresponds to 50 μm in the image plane. The device was fixed to the optical table with a defined standoff distance of 20 mm from the target.

次に、電圧空間をスイープし、レーザスポットの位置を追跡することにより、スキャナを較正した。全体的に達成された視野74は、図24に示すように、モデル予測72とよく一致する。ただし、システムのモデル化されていないコンプライアンスとアセンブリの不整合により、レーザタスクスペースにわずかな反りが生じた。モデルに自由度を追加して較正するのではなく、レーザスポットの位置を制御するためにルックアップテーブルアプローチを使用することを選択した。 The scanner was then calibrated by sweeping the voltage space and tracking the position of the laser spot. The overall achieved field of view 74 is in good agreement with the model prediction 72, as shown in FIG. However, the system's unmodeled compliance and assembly inconsistency resulted in a slight warp in the laser task space. We chose to use a look-up table approach to control the position of the laser spot, rather than adding degrees of freedom to the model and calibrating it.

このアプローチは、図25に示すように、タスク-空間-軌道の追跡において妥当な結果をもたらし、図25にあるように、所望の軌道がプロット76で示されている。「H」(左)、「星」(中央)、リサージュ図形(右)の3つの形状を様々な速度で描画した(100mm/sをプロット78で示し、1m/sをプロット80で示し、2m/sをプロット82で示し、3m/sをプロット84で示し、7m/sをプロット86で示す)。各形状は、100mm/s(78)の基本速度で、伝達部の振動が装置の追跡性能を損なう前に再現できる最高速度で示されている。このような振動は、「H」軌道の2m/s(プロット82)で見えるように現れている。3つの形状のうち、「H」は軌道が急激に変化するために最も困難な形状である。リサージュ図形は、アクチュエータの駆動電圧が滑らかでほぼ正弦波であるため、7m/s(プロット86)までパフォーマンスの低下はほとんどなく、最も単純である。 This approach yields reasonable results in task-space-trajectory tracking as shown in FIG. 25, where the desired trajectory is shown by plot 76. FIG. Three shapes, "H" (left), "star" (middle) and Lissajous figure (right), were drawn at different speeds (100 mm/s indicated by plot 78, 1 m/s indicated by plot 80, 2 m /s is shown in plot 82, 3 m/s in plot 84 and 7 m/s in plot 86). Each profile is shown at a base velocity of 100 mm/s (78), the highest velocity that can be reproduced before transmission vibrations impair the tracking performance of the device. Such oscillations are visible at 2 m/s of the "H" trajectory (plot 82). Of the three shapes, "H" is the most difficult shape because the trajectory changes abruptly. The Lissajous figure is the simplest with little performance degradation up to 7 m/s (plot 86) because the actuator drive voltage is smooth and nearly sinusoidal.

このプロトタイプ装置は、視野(10×20mmよりわずかに小さい)、走査速度(最大7m/s)、および走査装置のサイズ(11mm)という設計要件の大部分を満たしている。アセンブリの不整合とモデル化されていない軸外コンプライアンスの組み合わせにより、図24で生じる視野の歪みが示すように、レーザスポット位置のモデルにエラーが発生する。これは、組み立てに必要な手動操作の量を最小限に抑え、より適切なコンプライアンス比を持つ他の曲げ材料または形状を使用することによって改善することができる。 This prototype device meets most of the design requirements of field of view (slightly smaller than 10×20 mm), scanning speed (up to 7 m/s), and scanner size (11 mm). The combination of assembly misalignment and unmodeled off-axis compliance causes errors in the model of laser spot position, as shown by the resulting field distortion in FIG. This can be improved by minimizing the amount of manual manipulation required for assembly and using other bending materials or geometries with better compliance ratios.

較正とフィードフォワード制御により定性的な軌道追跡が可能になるが、較正が静的に実行され、動的、非線形、またはヒステリシス効果をキャプチャしないため、目的の軌道からのかなりの偏差が残る。したがって、レーザスポットの位置を正確に制御するには、フィードバック制御が必要である場合がある。そのため、本装置の実施形態は、ミラー出力に角度検出を組み込むか、レーザ位置をコントローラに直接フィードバックする手段を組み込むことができる。 Calibration and feedforward control allow qualitative trajectory tracking, but because calibration is performed statically and does not capture dynamic, nonlinear, or hysteresis effects, significant deviations from the desired trajectory remain. Therefore, feedback control may be necessary to precisely control the position of the laser spot. As such, embodiments of the apparatus may incorporate angle detection at the mirror output or a means of direct feedback of the laser position to the controller.

もう1つの重要な次のステップは、高倍率光学系の統合である。そのために、より高品質のミラーコーティングを組み込むことができる。利用可能なミラーコーティングの中で、金は800~1000nmの有利な波長で反射率が高い(>97%)ため有利なオプションである。また、誘電体コーティングは反射率が最大99.8%に達するため検討に値するが、波長に対してより選択的である。 Another important next step is the integration of high power optics. To that end, higher quality mirror coatings can be incorporated. Among the available mirror coatings, gold is a favorable option due to its high reflectivity (>97%) at favorable wavelengths of 800-1000 nm. Dielectric coatings are also worthy of consideration as they reach up to 99.8% reflectance, but are more selective with respect to wavelength.

ミラーとリンケージの機械的構造はやや壊れやすいため、それらを保護するために囲むことができ、ミラーを手術部位における流体流から保護することができる。本装置は、視覚化と組織引き込み(tissue retraction)のための既存の経口ロボットツールと一緒に使用できるため、これらのツールとタスクを連携することができる。 Because the mechanical structure of the mirror and linkage is rather fragile, they can be enclosed to protect them, protecting the mirror from fluid flow at the surgical site. The device can be used with existing transoral robotic tools for visualization and tissue retraction, thus coordinating these tools and tasks.

様々な実施例において、屈折率分布型コリメートレンズはフェルールで終端した光ファイバから光を集め、それを小型の平凸集束レンズに導く。光は45°入射角ミラーで反射され、小型の2ミラー検流計に入射する。可撓性リンケージが、圧電曲げアクチュエータの準線形運動を検流計ミラーの回転運動に変換する。円筒形のプロファイルにより、既存の手術器具との統合が容易である。 In various embodiments, a gradient index collimating lens collects light from a ferrule-terminated optical fiber and directs it to a compact plano-convex focusing lens. The light is reflected by a 45° incident angle mirror and enters a small two-mirror galvanometer. A flexible linkage converts the quasi-linear motion of the piezoelectric bending actuator into rotational motion of the galvanometer mirror. Cylindrical profile facilitates integration with existing surgical instruments.

以下では、このレーザステアリングソリューションによって極まる設計、製造、および制御に関する考察を述べる。最初に、装置の検流計部分を小型化するための一般的な設計上の考慮事項について説明する。この部品は、設計と製造の両方の観点から小型化するのに最も簡単な部品である。次に、各部品の設計と構造、およびそれらの組立の詳細を示す。第三に、静的位置制御と特性評価に用いた方法を報告する。最後に、装置の動的特性、高帯域幅動作の実証、装置を市販の結腸内視鏡との接続について説明する。 The following are the design, manufacturing, and control considerations that are perfected by this laser steering solution. First, general design considerations for miniaturizing the galvanometer portion of the device are discussed. This part is the easiest part to miniaturize from both a design and manufacturing standpoint. Details of the design and construction of each part and their assembly are given below. Third, we report the methods used for static position control and characterization. Finally, the dynamic properties of the device, demonstration of high-bandwidth operation, and interfacing the device with commercial colonoscopes are described.

検流計は、装置において設計の小型化が最も複雑な部品であるが、設計空間に関して我々の取り組みを導くいくつかの一般的な洞察がある。目的は、ミラー間および反射ビームと光路内の前のミラーとの間の衝突を回避しながら、ビームサイズ、ミラーサイズ、および所望の可動範囲を考慮して、ミラー間の距離を最小化することである(図26~28参照)。重要な高レベルの設計上の考慮事項は、使用するミラーの数である。それぞれに同じ可動範囲が必要な場合、直感に反して、3ミラー設計は2ミラー設計よりも実際に小さくすることができる。 Although the galvanometer is the most complicated part of the device to miniaturize in design, there are some general insights that guide our approach regarding the design space. The objective is to minimize the distance between the mirrors, given the beam size, mirror size, and desired range of motion, while avoiding collisions between the mirrors and between the reflected beam and the previous mirror in the optical path. (see FIGS. 26-28). An important high level design consideration is the number of mirrors used. Counter-intuitively, a three-mirror design can actually be smaller than a two-mirror design if the same range of motion is required for each.

最初に、図26の3つの構成で示す3つのミラー設計を検討する。入射ビームは左から入り、次に順番に固定ミラー42、第1のアクティブミラー28、および第2のアクティブミラー30(外接直径4mm)に反射される。左の図では、第1および第2のアクティブミラー28および30が+10°回転している。中央の図では、第1のアクティブミラー28が+10°回転し、第2のアクティブミラー30が-10°回転している。右の図では、第1のアクティブミラー28が-10°回転し、第2のアクティブミラー30が+10°回転している。固定ミラー42と第1のアクティブミラー28との間の距離が小さすぎると、第2のアクティブミラー30からの反射光が固定ミラー42と交差してしまう。第1のアクティブミラー28と第2のアクティブミラー30との間の距離が小さすぎると、それらのミラーが衝突してしまう。しかしながら、ミラー間の距離を大きくすると、装置のサイズが大きくなるだけでなく、同じ範囲の動きで反射光を収集するには、より大きな面積のミラーが必要になることを意味する。図示された3ミラー設計は、これらすべての考慮事項のバランスを取り、直径4mmのフットプリントで各アクティブミラーの可動範囲が±10°の装置を実現した。ミラーの角を面取りすると、重要な場所での衝突を防ぎ、可動範囲が広がることにも注目したい。 First, consider the three mirror designs shown in the three configurations of FIG. The incident beam enters from the left and is then reflected in turn by fixed mirror 42, first active mirror 28 and second active mirror 30 (4 mm circumscribed diameter). In the left figure, the first and second active mirrors 28 and 30 are rotated +10°. In the middle figure, the first active mirror 28 is rotated +10° and the second active mirror 30 is rotated -10°. In the right figure, the first active mirror 28 is rotated -10° and the second active mirror 30 is rotated +10°. If the distance between the fixed mirror 42 and the first active mirror 28 is too small, the reflected light from the second active mirror 30 will cross the fixed mirror 42 . If the distance between the first active mirror 28 and the second active mirror 30 is too small, they will collide. However, increasing the distance between the mirrors not only increases the size of the device, but also means that a larger area mirror is required to collect the reflected light over the same range of motion. The illustrated three-mirror design balances all of these considerations, resulting in a device with a 4 mm diameter footprint and a ±10° range of motion for each active mirror. Note also that chamfering the corners of the mirrors prevents collisions in critical places and increases the range of motion.

第1の2ミラー設計(図27に2つの構成で示す)は、3ミラー設計と同じ直径のフットプリントを有するが、その可動範囲は第1のミラー軸で半分となる。左の画像では、第1のアクティブミラー28は+5°の角度で回転し、一方、外接直径が4mmの第2のアクティブミラー30は中立の0°の角度にある。右の画像では、第1のアクティブミラー28は-5°回転し、第2のアクティブミラー30は中立の0°の角度にある。一連のトレードオフの結果であり、ミラー28および30(両方ともアクティブ)が互いに近すぎる場合、第2のアクティブミラー30から反射されたビームは、第1のミラー28の大きな正の回転角のために第1のアクティブミラー28と交差する。他方、2つのミラー28と30との間の距離を大きくすると、第1のミラー28の大きな負の回転角に対して第2のミラー30を大きくして入射光を受け入れなければならない。これが第2の2ミラー設計である(図28)。直径が50%増加するという犠牲を払って、3ミラー設計と同じ可動範囲を実現している(第2のミラー30の外接直径は6mm)。左の画像では、第1のアクティブミラー28は+10°回転し、第2のアクティブミラー30は中立の0°の角度にある。右の画像では、第1のアクティブミラー28が-10°回転し、第2のアクティブミラー30が+8°回転している。 The first two-mirror design (shown in two configurations in FIG. 27) has the same diameter footprint as the three-mirror design, but its range of motion is halved along the first mirror axis. In the left image, the first active mirror 28 is rotated at an angle of +5°, while the second active mirror 30 with a 4 mm circumscribed diameter is at a neutral 0° angle. In the right image, the first active mirror 28 is rotated -5° and the second active mirror 30 is at a neutral 0° angle. The result of a series of trade-offs is that if mirrors 28 and 30 (both active) are too close together, the beam reflected from the second active mirror 30 will be intersects the first active mirror 28 at . On the other hand, if the distance between the two mirrors 28 and 30 is increased, for large negative rotation angles of the first mirror 28, the second mirror 30 must be increased to accept the incident light. This is the second two-mirror design (FIG. 28). It achieves the same range of motion as the 3-mirror design at the expense of a 50% increase in diameter (the circumscribed diameter of the second mirror 30 is 6 mm). In the left image, the first active mirror 28 is rotated +10° and the second active mirror 30 is at a neutral 0° angle. In the right image, the first active mirror 28 is rotated -10° and the second active mirror 30 is rotated +8°.

したがって、3ミラー検流計(図26)は、同じサイズの2ミラー設計(図27)よりも広い可動範囲を達成し、2ミラー設計(図28)が3ミラー設計と同じ可動範囲を達成するには50%大きい直径が必要である。可動範囲は、主にミラーが入射光を完全にキャプチャして反射する能力によって決まるが、ミラー同士の衝突や、反射レーザと光路中の前のミラーとの衝突を回避する必要性によって制限される。これらのサンプル構成は、これらの衝突が発生しそうな可動範囲の限界を示している。 Thus, a three-mirror galvanometer (Fig. 26) achieves a wider range of motion than a two-mirror design of the same size (Fig. 27), which in turn achieves the same range of motion as a three-mirror design. requires a 50% larger diameter. The range of motion is determined primarily by the ability of the mirrors to fully capture and reflect incident light, but is limited by the need to avoid collisions between mirrors and the reflected laser with the mirrors ahead of it in the optical path. . These sample configurations show the limits of the range of motion where these collisions are likely to occur.

この分析を通して、1mmの固定ビーム径を想定した。これは、装置の検証に使用した低出力ポインティングレーザよりもやや大きいが、コリメートされた高出力ビームとしては妥当な上限である。簡単にするために、各ミラーの中立位置を入力ビームとの入射角が45°になるように選択し、これが45°からわずかにずれても結果がわずかに異なり得るが設計トレードオフの構造は変わらないようにした。また、対称的な可動域が望ましいと仮定した。ここでも、そうでない場合は、結果のデザインがわずかに変わり得るが、設計空間の性質を変える必要はない。最後に、出射光線が入射ファイバに平行である場合(前方視)を考慮していることを強調しておく。出射光線が入射ファイバに対して垂直にしたい場合(側方視)、3ミラー設計を使用する理由はなく、小型化と可動範囲の点で2ミラー設計が完全に許容される。しかしながら、手術で使用されるほとんどのエネルギー供給ツールは前方視であるため、本装置の例にはこの構成を用いることを選択したが、装置の他の例では側方視の装置を簡単に用いることができる。 A fixed beam diameter of 1 mm was assumed throughout this analysis. This is slightly higher than the low power pointing laser used to validate the device, but is a reasonable upper limit for a collimated high power beam. For simplicity, the neutral position of each mirror is chosen to be at a 45° angle of incidence with the input beam, and slight deviations from 45° may result in slightly different results, but the design trade-off structure is I made sure it didn't change. We also assumed that a symmetrical range of motion was desirable. Again, otherwise the resulting design may vary slightly, but the nature of the design space need not change. Finally, it is emphasized that we are considering the case where the outgoing rays are parallel to the incoming fiber (forward looking). If we want the output ray to be perpendicular to the input fiber (side view), there is no reason to use the 3-mirror design, and the 2-mirror design is perfectly acceptable in terms of compactness and range of motion. However, since most energy delivery tools used in surgery are forward looking, we have chosen to use this configuration for this device example, while other examples of devices simply employ side viewing devices. be able to.

これらの全体的な洞察を手に、装置の詳細な設計と製作を行う。製作には、主にレーザ微細加工(Coherent Avia 355-7レーザを備えたOxford Laser EシリーズとCanon検流計を使用)で作成した既製部品と特注部品を組み合わせて使用する。3ミラー検流計の圧電曲げアクチュエータ運動伝達アセンブリの運動学的構造を図29および30に示し、これは曲げアクチュエータ18および22と、伝達リンケージ38と、ミラー28および30とを含んでいる。このアセンブリは、準線形(放物線状)の入力運動をミラーの回転運動に変換する。 Armed with these overall insights, the detailed design and fabrication of the device is carried out. Fabrication uses a mix of off-the-shelf and custom parts made primarily by laser micromachining (using an Oxford Laser E-series with a Coherent Avia 355-7 laser and a Canon galvanometer). The kinematic structure of the three-mirror galvanometer piezoelectric bending actuator motion transmission assembly is shown in FIGS. This assembly converts quasi-linear (parabolic) input motion into rotational motion of the mirror.

組み立て前の3ミラー検流計の構成部品を図31に示す(組立順に、第1行の左から右へ、次に第2行の左から右の順)。図示の構成要素は、保持クリップ88と、固定ミラー42アセンブリと、第2のアクティブミラー(y軸)30アセンブリと、第1のアクティブミラー(x軸)28アセンブリと、集束レンズ34アセンブリと、圧電アクチュエータ18および22アセンブリと、コリメートレンズ32アセンブリと、支持上部構造90とを具える。保持クリップ、ミラー42、28、30、レンズ34、32、ならびにアクチュエータ18、22はそれぞれ、プラットフォーム92が支持上部構造90のロッド94にスライド可能に取り付けられるオリフィスを有するディスクプラットフォーム92に取り付けられており、それによって着脱可能なモジュール構造を提供する。これらの構成部品は、UVレーザのカッティングで形成することができる。アクティブミラー28、30アセンブリならびに圧電アクチュエータ18、22アセンブリは、精密な積層を含み得る。ミラー28、30、42アセンブリの形成にはスパッタ堆積を用いることができる。レンズは32、34は既製の部品を用いることができる。最後に、集束レンズ34の成形にはダイヤモンド研削を用いることができる。 The components of the 3-mirror galvanometer before assembly are shown in FIG. 31 (in assembly order, left to right in the first row, then left to right in the second row). The components shown are a retaining clip 88, a fixed mirror 42 assembly, a second active mirror (y-axis) 30 assembly, a first active mirror (x-axis) 28 assembly, a focusing lens 34 assembly, a piezoelectric It comprises the actuators 18 and 22 assemblies, the collimating lens 32 assembly and the support superstructure 90 . Retaining clips, mirrors 42, 28, 30, lenses 34, 32, and actuators 18, 22 are each mounted on a disk platform 92 having an orifice through which platform 92 is slidably attached to rod 94 of support superstructure 90. , thereby providing a detachable modular structure. These components can be formed by UV laser cutting. The active mirrors 28, 30 assembly and the piezoelectric actuators 18, 22 assembly may comprise precision laminations. Sputter deposition may be used to form the mirrors 28, 30, 42 assembly. The lenses 32 and 34 can be off-the-shelf parts. Finally, diamond grinding can be used to shape the focusing lens 34 .

構成部品の設計、製造、および機能の具体的な詳細は、以下のとおりである。 Specific details of the design, manufacture and function of the components are provided below.

スチールロッド上部構造90:この部品は、2本の500μmと1本の300μm径のステンレス鋼ロッド94(米国Misumi)からなり、その上に残りの部品が組み立てられる。ロッド94は、位置合わせジグを使用してFR4ディスク92に直交して配置されている。組み立てられた部品を所定の位置に圧迫して保持するためのばね鋼の予圧ばねがディスク92に取り付けられている。すべての構成部品はレーザ微細加工が施されている。 Steel rod superstructure 90: This component consists of two 500 μm and one 300 μm diameter stainless steel rods 94 (Misumi, USA) on which the rest of the components are assembled. Rods 94 are positioned orthogonally to FR4 disk 92 using an alignment jig. A spring steel preload spring is attached to the disk 92 to compress and hold the assembled parts in place. All components are laser micromachined.

フェルールファイバとコリメートレンズ32:市販のフェルール終端光ファイバ(SMPF0106-FC、Thor Labs)を屈折率分布型コリメータ32(GRIN2306A、Thor Labs)と組み立て、FR4支持ディスク92に取り付けた。 Ferrule fiber and collimating lens 32: A commercially available ferrule-terminated optical fiber (SMPF0106-FC, Thor Labs) was assembled with a gradient index collimator 32 (GRIN2306A, Thor Labs) and attached to the FR4 support disk 92.

圧電曲げアクチュエータ18、22:N. T. Jafferis、M. J. Smith、 R. J. Wood、「Design and manufacturing rules for maximizing the performance of polycrystalline piezoelectric bending actuators」、Smart Materials and Structures、Vol. 24、No. 6、p. 065023 (2015)に記載のプロセスと材料を用いて、サイズに合わせてアクチュエータ18および22を作製した。光学部品に隣接する利用可能なスペースに合わせて、アクチュエータの寸法を、有効長7mm、先端長1.8mm、ブリッジ長0.5mm、ベース幅1.4mm、チップ幅0.4mmで選択した。 Piezoelectric bending actuators 18, 22: N. T. Jafferis, M. J. Smith, R. J. Wood, "Design and manufacturing rules for maximizing the performance of polycrystalline piezoelectric bending actuators", Smart Materials and Structures, Vol. 24, No. 6, p. 065023 (2015 ) were used to fabricate actuators 18 and 22 to size. Due to the available space next to the optics, the dimensions of the actuator were chosen with an effective length of 7 mm, a tip length of 1.8 mm, a bridge length of 0.5 mm, a base width of 1.4 mm and a tip width of 0.4 mm.

アクチュエータは、固定のバイアス電圧でバイアスされたユニポーラ構成で駆動されるため、それぞれがゼロからバイアス電圧までの単一の時変入力信号によって制御される。圧電セラミックの引張ひずみが故障限界を十分に下回ることを保証しつつ、かなりの出力変位を達成するために、200Vの固定バイアス電圧を選択した。これらの駆動条件下で、アクチュエータは±200μmの自由変位を達成し、2.6kHzの最初の共振周波数を持つようになった。 The actuators are driven in a unipolar configuration biased at a fixed bias voltage, so each is controlled by a single time-varying input signal from zero to the bias voltage. A fixed bias voltage of 200 V was chosen to achieve appreciable output displacement while ensuring that the tensile strain of the piezoceramic was well below the failure limit. Under these driving conditions, the actuator achieved a free displacement of ±200 μm and had an initial resonant frequency of 2.6 kHz.

集束レンズ34:集束レンズ34は、既製品(#89-003、Edmund Optics)を入手し、位置合わせジグとダイアモンドカットオフホイールを用いて研磨してサイズダウンした。レンズ34にレーザで事前刻印された見当マークは、研削後に光学中心の位置合わせを可能にする。 Focusing lens 34: Focusing lens 34 was obtained off-the-shelf (#89-003, Edmund Optics) and ground down in size using an alignment jig and a diamond cutoff wheel. Laser pre-engraved register marks on the lens 34 allow alignment of the optical center after grinding.

関節式ミラー28、30と運動伝達部:これらは、積層技術を使用して製造された剛性部品と非剛性部品の複雑なアセンブリである。これらは、ステンレス鋼、ポリイミド、および熱硬化性アクリル接着剤(Dupont IncのPYRALUX接着剤)から形成された4バー型クランク・スライダリンケージを含み得る。ミラー28、30はクランク上に配置され、スライダはそれぞれ圧電セラミックアクチュエータ18/22のうちの1つとインターフェースする。x軸(第1)伝達部は、さらに曲げアクチュエータ先端の面外運動を補償するための線形化リンケージを含む。これらを図29、30に概略的に示す。ミラー28、30は、100μmの溶融シリカ基板上にスパッタされたアルミニウム(Denton Depcale Pro PVDシステム、Denton Vacuum LLC、米国ニュージャージー州ムーアズタウン)から作られ、UVレーザを使用して単一化されている。 Articulating mirrors 28, 30 and motion transmitters: These are complex assemblies of rigid and non-rigid parts manufactured using lamination techniques. These may include a 4-bar crank-slider linkage formed from stainless steel, polyimide, and a thermoset acrylic adhesive (PYRALUX adhesive from Dupont Inc). The mirrors 28, 30 are positioned on cranks and the sliders each interface with one of the piezoceramic actuators 18/22. The x-axis (first) transmission further includes a linearizing linkage to compensate for out-of-plane motion of the bending actuator tip. These are shown schematically in FIGS. Mirrors 28, 30 are made from sputtered aluminum (Denton Depcale Pro PVD Systems, Denton Vacuum LLC, Moorestown, NJ, USA) on a 100 μm fused silica substrate and singulated using a UV laser. .

伝達部の詳細な設計は、アクチュエータの特性に基づく。最先端の装置と同じように、各ミラーに±10°の動き(アクチュエータをいずれかの方向に曲げて駆動される)を実現したいと考えた。この動きを実現するには、(1)リンケージの伝達比と、(2)アクチュエータの剛性に対するリンケージの剛性という、2つの重要な設計上の考慮事項がある。類似の機械部品のサイジングの経験に基づいて、目標伝送比を0.1°/μm、目標剛性をアクチュエータと同等に選択した。この装置では、伝達比0.13°/μmおよび0.12°/μm(製造誤差が小さいため)と、アクチュエータの剛性の60%および90%の剛性を達成した。 The detailed design of the transmission part is based on the properties of the actuator. Similar to state-of-the-art devices, we wanted to achieve ±10° of motion for each mirror (driven by bending the actuators in either direction). There are two important design considerations in achieving this motion: (1) linkage transmission ratio and (2) linkage stiffness relative to actuator stiffness. A target transmission ratio of 0.1°/μm and a target stiffness equivalent to the actuator were selected based on experience with sizing similar mechanical components. The device achieved transmission ratios of 0.13°/μm and 0.12°/μm (due to small manufacturing tolerances) and stiffness of 60% and 90% of the actuator stiffness.

伝達部の剛性はアクチュエータの剛性と平行であり、結果としてアクチュエータの自由変位が減少することに留意されたい。このように作製された2つのミラーで、それぞれ-12.5~20°および-11.2~13.7°の可動範囲を実現した。この非対称性は、わずかなアセンブリのミスアライメントおよびわずかに非線形の伝達運動学に対応する。ニュートラル(ゼロ)のミラー角度とアクチュエータ位置は、出力ビームが装置の縦軸に沿って整列している構成に対応する。 Note that the stiffness of the transmission is parallel to the stiffness of the actuator, resulting in a reduced free displacement of the actuator. Two mirrors fabricated in this way realized a movable range of -12.5 to 20° and -11.2 to 13.7°, respectively. This asymmetry corresponds to slight assembly misalignment and slightly non-linear transfer kinematics. A neutral (zero) mirror angle and actuator position corresponds to a configuration in which the output beam is aligned along the longitudinal axis of the device.

固定ミラー42:このアルミニウムスパッタ溶融シリカミラー42は、2つの位置合わせブロックを使用して入射光に対して45°で固定され、そしてFR4支持ディスク92とインターフェースしている。 Fixed Mirror 42 : This aluminum sputtered fused silica mirror 42 is fixed at 45° to the incident light using two alignment blocks and interfaces with the FR4 support disk 92 .

保持クリップ88:このばね鋼部品は、上部構造90のステンレス鋼ロッド94に刻まられた溝に適合する。これは、上部構造ベースに配置された予圧スプリングと連動してアセンブリを軸方向に拘束する。 Retaining clip 88 : This spring steel piece fits into a groove cut into the stainless steel rod 94 of the superstructure 90 . This axially constrains the assembly in conjunction with preload springs located on the superstructure base.

スペーサチューブとディスク:部品間の適切な間隔と位置合わせを確実にするために、レーザ微細加工された部品である。これらは長さ(または厚さ)が重要な寸法である。 Spacer Tubes and Disks: Parts that are laser micromachined to ensure proper spacing and alignment between parts. These are the dimensions where length (or thickness) is important.

エンドエフェクタの位置制御を、開ループの再現性を測定することによって特性づけることを開始した。これは、同一の動きを再現するための装置の物理的特性の基本的な限界を示す重要な指標である。スティクション(stiction)や可塑性などの現象は、同一の入力が同一の出力を生み出さないことを意味する。一方向再現性は、一方向からのみ測定点へとアプローチする再現性の尺度である。サンプリングした点の最大2σ標準距離は200μmであり、一連の同一の動きが平均軌道に対して分散半径200μm以内に収まる95%の信頼性があることを意味する。 We began to characterize end effector position control by measuring open loop repeatability. This is an important indicator of the fundamental limits of the physical properties of the device to reproduce the same motion. Phenomena such as stiction and plasticity mean that identical inputs do not produce identical outputs. One-way reproducibility is a measure of reproducibility approaching the measurement point from only one direction. The maximum 2σ standard distance of the sampled points is 200 μm, which means that there is 95% confidence that a series of identical motions will be within a radius of variance of 200 μm with respect to the mean trajectory.

ヒステリシスの存在は、位置制御を複雑にする。ヒステリシスは主に圧電セラミックアクチュエータ内のドメインの再配向から生じる双方向の効果であり、レーザ位置が入力の時間履歴に依存することを意味する。この依存関係は、制御を複雑にし、装置の使用を直感的でなくするため、明らかに望ましくない。このヒステリシス効果を最小限に抑えるために、フィードフォワード補正スキームを導入した。このアプローチを検証するために、補正なしの入力と補正ありの入力について星の軌道を指令した。生の入力は経路依存性の影響を明確に示すが、補正された入力は大幅に改善された追跡を示している。これは、本質的に双方向の再現性の尺度である。定量的には、設定値の周囲の最大2σの標準距離は補正なしで2.14mm、補正ありで0.72mmであり、これはフィードフォワード補正の妥当な改善を表している。フィードバック制御により、さらなる改善を実現できる。 The presence of hysteresis complicates position control. Hysteresis is a bi-directional effect that arises primarily from domain reorientation within the piezoceramic actuator, meaning that the laser position depends on the time history of the input. This dependency is clearly undesirable as it complicates control and makes use of the device non-intuitive. A feedforward correction scheme was introduced to minimize this hysteresis effect. To test this approach, star trajectories were commanded for uncorrected and corrected inputs. Raw inputs clearly show path-dependent effects, whereas corrected inputs show significantly improved tracking. This is essentially a two-way reproducibility measure. Quantitatively, the maximum 2σ standard distance around the setpoint is 2.14 mm without correction and 0.72 mm with correction, which represents a reasonable improvement in feedforward correction. Further improvements can be achieved with feedback control.

ワークスペースと入力スペースの次元(dimensionality)が低く、センサ情報が不足しているため、ヒステリシスのフィードフォワード補正とカスケードして、アクチュエータ入力とレーザスポット位置の間のモデルフリーの直接マッピングを使用して装置を制御することを選択した。3次および2次の多項式曲面を、それぞれ第1および第2のミラーの開ループ再現性測定データに当てはめた。これらのフィットは、ミラーの中立角度に対応するそれぞれ73Vと93Vを中心としたものであった。 Due to the low dimensionality of the workspace and input space and lack of sensor information, using model-free direct mapping between actuator input and laser spot position, cascaded with hysteresis feedforward correction You have chosen to control the device. Third and second order polynomial surfaces were fitted to the open-loop repeatability measurement data for the first and second mirrors, respectively. These fits were centered at 73V and 93V, respectively, corresponding to the neutral angles of the mirrors.

システムは動的に制御および特性評価が可能である。システムの帯域幅は、高周波数でのミラーの共振によって制限される。図32(低電圧ホワイトノイズ入力に対する第1のアクティブミラーの周波数応答のプロット)および図33(第2のアクティブミラーの周波数応答のプロット)に示すボードプロットに見られるように、2つのミラーの一次共振周波数は1.8kHzおよび1.9kHzである。さらに、第1のミラーには1.2kHzの低周波数モードがある(ねじれや他の軸外モードが原因と思われる)。これらのモードの発生を回避するために、有限ジャーク運動プロファイリング方式(シグモイドまたはSプロファイリングとも呼ばれる)を用いる。 The system can be dynamically controlled and characterized. The bandwidth of the system is limited by mirror resonances at high frequencies. The two mirror primary The resonant frequencies are 1.8 kHz and 1.9 kHz. Additionally, there is a low frequency mode at 1.2 kHz in the first mirror (probably due to twist and other off-axis modes). To avoid the occurrence of these modes, a finite jerk motion profiling scheme (also called sigmoid or S-profiling) is used.

システムは、図34と35に見られるように、高速において静的軌道26からわずかな偏差しか示さない。低速(7.8mm/s、図35の実線プロット)と高速(3,900mm/s、図35の破線プロット)で辿る軌道の間には5%の偏差しかない。また、2軸制御により、システムは複雑な平面軌道のトレースも可能である。システムの広い帯域幅を利用して、マルチモーダルプロファイルを生成することもできる。これらは、高周波数入力を低周波数入力に重ね合わされた軌道であり、これによってユーザはエネルギー適用の有効領域をその場で変更できるため、大面積の止血のように広い領域を制御可能にカバーする必要がある状況で特に有効である。 The system exhibits only minor deviations from the static trajectory 26 at high speeds, as seen in FIGS. There is only a 5% deviation between the trajectories followed at low speed (7.8 mm/s, solid plot in FIG. 35) and high speed (3,900 mm/s, dashed plot in FIG. 35). Two-axis control also allows the system to trace complex planar trajectories. The wide bandwidth of the system can also be used to generate multimodal profiles. These are trajectories in which high-frequency input is superimposed on low-frequency input, allowing the user to change the effective area of energy application on the fly, thus controllably covering large areas, such as large area hemostasis. It is especially effective in situations where it is necessary.

レーザステアリングエンドエフェクタは薄型で質量が小さいため(例えば、700mg)、既存の手術器具と簡単に接続することができる。これを実証するために、大腸内視鏡(OlympusCF-100L)の端に取り付け、ベンチトップ手術シミュレータでポリープ切除タスクのシミュレーションを実行した。標準の入力装置(Phantom Omni)を使用した遠隔制御と、登録された切開軌道に沿ったレーザのロボットによる高速制御の両方を示す。 The low profile and low mass (eg, 700 mg) of the laser steering end effector allows it to be easily interfaced with existing surgical instruments. To demonstrate this, it was attached to the end of a colonoscope (Olympus CF-100L) and simulated polypectomy tasks were performed on a benchtop surgical simulator. Both remote control using a standard input device (Phantom Omni) and fast robotic control of the laser along the registered cutting trajectory are shown.

この研究は、低侵襲手術でエネルギー供給を制御する新しい方法への道を示している。これは、(1)外科医が軟組織へのエネルギー供給をより細かく制御できるようにする、(2)手術器具の操作性と器用さを向上させる、(3)施術者と対象の双方の身体的負担を軽減する、という外科技術における3つの重要な課題に同時に対処することができる。この貢献は、手術者が組織と相互作用するときにレーザ速度を制御できるようにすることで、既存の静的に使用されるツールよりもレーザと組織の相互作用の質をより広く調整および最適化できるようにする。手首型関節を使用して、手術者は以前は到達できなかった病変にもアクセスできるようになる。我々の設計、製造、およびモジュラーアセンブリのアプローチは、この装置の作成を可能にする追加的な貢献であるが、他の複雑なマイクロロボットシステムや医療装置にも適応可能である。 This research points the way to new ways to control energy delivery in minimally invasive surgery. This is due to (1) giving the surgeon greater control over soft tissue energy delivery, (2) improving the maneuverability and dexterity of surgical instruments, and (3) physical strain on both the operator and the subject. It can simultaneously address three key challenges in surgical technology: reducing . This contribution allows the operator to control the laser velocity as it interacts with the tissue, thus making it possible to adjust and optimize the quality of the laser-tissue interaction more broadly than existing statically used tools. make it possible to Using a wrist-type joint, the operator can now access previously inaccessible lesions. Our design, fabrication, and modular assembly approach are additional contributions that enable the creation of this device, but are also adaptable to other complex microrobotic systems and medical devices.

装置の再現性に沿った精度を実現するために、感覚フィードバックを組み込むことができる。簡単なアプローチは、歪みゲージセンサを圧電曲げアクチュエータ内に埋め込んでアクチュエータの位置を推定し、電流検出を使用してアクチュエータの速度を推定する。そして、伝達運動学と鏡面反射モデルから推定されたレーザ位置とからミラー位置を計算することができる。ミラー位置を直接測定すると、レーザ位置をより正確に推定できるが、適切な微細検知方法への道は、アクチュエータの動きを検知するほど簡単ではない。また、電気機械式センサよりも低いサンプルレートではあるが、視覚的なフィードバックを使用して高品質の推定を行うことができる。実際には、これらの様々な情報を融合させたセンサフュージョンが最善のアプローチであると思われる。 Sensory feedback can be incorporated to achieve accuracy in line with device reproducibility. A simple approach is to embed a strain gauge sensor within a piezoelectric bending actuator to estimate the position of the actuator and use current sensing to estimate the velocity of the actuator. The mirror position can then be calculated from the transfer kinematics and the laser position estimated from the specular reflection model. Direct measurement of the mirror position provides a more accurate estimate of the laser position, but the path to a suitable fine sensing method is not as straightforward as sensing actuator movement. Visual feedback can also be used to make high quality estimates, albeit at a lower sample rate than electromechanical sensors. In practice, sensor fusion, which fuses these various pieces of information, seems to be the best approach.

さらに、適切な高出力ファイバ、レンズ、およびミラーを組み込んで、この装置を外科用レーザに使用することができる。構成部品の選択は、使用するレーザの波長と出力によって異なる。例えば、CO外科用レーザを用いる場合、金でスパッタされたアルミニウムミラーとセレン化亜鉛レンズがそれぞれ適切な反射率と透過率を提供する。特に、光学部品が劣化する前に受けることのできるレーザ出力の尺度である「レーザ誘起損傷しきい値」に注意が払われる。 Additionally, incorporating appropriate high power fibers, lenses, and mirrors, the device can be used with surgical lasers. Component selection depends on the wavelength and power of the laser used. For example, when using a CO2 surgical laser, gold-sputtered aluminum mirrors and zinc selenide lenses provide adequate reflectance and transmittance, respectively. In particular, attention is paid to the "laser-induced damage threshold," which is a measure of the laser power that an optical component can receive before it degrades.

使用されるレーザモダリティに拘わらず、装置は、手術環境内の液体やデブリに対して堅牢で、滅菌可能であるように、有利にカプセル化することができる。レーザファイバの先端は長期間使用すると損傷する可能性があるため、レーザファイバを装置から切り離す方法を組み込むと有利となり得る。この切り離し機能により、レーザファイバを個別に洗浄・開裂(cleaving)可能になり、レーザファイバの寿命を大幅に延ばすことができる。 Regardless of the laser modality used, the device can be advantageously encapsulated to be robust against fluids and debris within the surgical environment and sterilizable. Since the tip of the laser fiber can become damaged after prolonged use, it can be advantageous to incorporate a method of disconnecting the laser fiber from the device. This severing function allows the laser fibers to be individually cleaned and cleaved, greatly extending the life of the laser fibers.

レーザの位置はケーブル作動ではなく電子的に制御されるため、エネルギー制御をレーザが配置されている手術器具の全体的な動きから切り離すことができる。この独立性は、装置のハンドオフ、内視鏡の設置、器具の様々な部分へ複数回の手の移動、別のユーザによるエンドエフェクタの操作などの煩雑な手作業を必要とすることが多い柔軟な内視鏡検査で特に重要である。したがって、ジョイスティックなどの遠隔制御カラムを用いると、ケーブルの空間的制約による位置依存がないため、内視鏡のどこかに人間工学的に取り付けるか、内視鏡から離れた第2のオペレーターに取り付けることができ、装置操作用ではなく患者ケアに使用される手術室での時間の効率的な使用を改善することが簡単に想像できる。 Because the position of the laser is electronically controlled rather than cable-actuated, energy control can be decoupled from the overall movement of the surgical instrument in which the laser is located. This independence provides flexibility that often requires tedious manual tasks such as device handoff, endoscope placement, multiple hand movements to various parts of the instrument, and end effector manipulation by another user. This is of particular importance for endoscopic examinations. Therefore, with a remote control column such as a joystick, it can be ergonomically mounted anywhere on the endoscope or mounted on a second operator remote from the endoscope as it is not position dependent due to space constraints of the cable. It can be easily imagined to improve the efficient use of time in the operating room, which is used for patient care rather than for equipment operation.

我々のレーザステアリングアプローチは、内視鏡による視覚化と視覚的生検のための新しいアプローチも可能にする。光コヒーレンストモグラフィや共焦点内視鏡検査では、レーザ/組織の相互作用を利用して表面下の構造を視覚化し、スキャンによって組織の広い領域を一度に見ることができる。光学ステアリングは、高速スキャンで取得された一連の画像をつなぎ合わせることで、標準的な白色光イメージングツールの有効視野を拡大するためにも使用できる。本明細書に記載された走査システムおよびモジュール式装置アセンブリアプローチは、それらのシステムのミリメートルサイズのバージョンの製造に適合させることができる。これらのシステムのさらに小さなバージョンは、静電および電熱アクチュエータを使用して共振走査素子を励起する積層体製造技術を使用して構築される。我々のアプローチは、構造が単純であり、準静的な広い可動域を実現できるという点で利点がある。 Our laser steering approach also enables new approaches for endoscopic visualization and visual biopsy. Optical coherence tomography and confocal endoscopy use laser/tissue interactions to visualize subsurface structures, allowing scanning to see large areas of tissue at once. Optical steering can also be used to extend the effective field of view of standard white-light imaging tools by stitching together a series of images acquired in fast scans. The scanning systems and modular device assembly approaches described herein can be adapted for manufacturing millimeter-sized versions of those systems. Smaller versions of these systems are built using stack fabrication techniques that use electrostatic and electrothermal actuators to excite resonant scanning elements. Our approach has the advantages of simple structure and quasi-static wide range of motion.

また、この技術は、他のマイクロロボットシステム、特にサイズと重量が重要視される小型航空機や人工衛星への応用にも期待される。この技術により、マッピングとナビゲーションに使用される小型光検出および測距(LIDAR)センサや、広範囲の大気汚染検知に使用されるレーザスキャナの製造が可能になる。 The technology is also expected to be applied to other microrobot systems, especially small aircraft and satellites where size and weight are important. This technology enables the production of miniature light detection and ranging (LIDAR) sensors used for mapping and navigation, and laser scanners used for wide-area air pollution detection.

この教示と一致する追加の例が、次の番号付けされた項目に示されている。 Additional examples consistent with this teaching are provided in the following numbered items.

1.小型レーザステアリングエンドエフェクタであって、
近位端および遠位端を有し、長手方向軸に直交する平面内の最大寸法が13mm以下のフレームと、
前記フレームの遠位端に近接して取り付けられ、第1のアクティブミラーおよび第2のアクティブミラーを含む少なくとも2つのミラーと、
前記フレームに取り付けられ、前記フレームに対する前記第1のアクティブミラーの傾きを変更するように構成された第1のアクチュエータと、
前記フレームに取り付けられ、前記フレームに対する前記第2のアクティブミラーの傾きを変更するように構成された第2のアクチュエータとを具え、
前記フレームを通してレーザビームを前記ミラーに送達するための経路が設けられており、前記ミラーは、各ミラーでレーザビームを反射して外部ターゲットに向かわせるように前記アクチュエータを介して配置され構成可能であることを特徴とする小型レーザステアリングエンドエフェクタ。
2.前記第1および第2のアクティブミラーと共に、前記レーザビームを反射するように配置され構成された第3のミラーをさらに具える、項目1に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。
3.前記第3のミラーが固定的に取り付けられている、項目2に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。
4.前記第1および第2のアクチュエータがカンチレバーである、項目1-3に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。
5.前記カンチレバーは受動リンケージを介してミラーと結合されている、項目4に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。
6.前記カンチレバーがバイモルフ圧電カンチレバーである、項目4又は5に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。
7.前記ミラーからの反射を介してステアリングするために、レーザビームを前記小型レーザステアリングエンドエフェクタを通してミラーに向けるように配置された外科用レーザをさらに具える、項目1-6に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。
8.前記ミラーからの反射を介してステアリングするために、レーザビームを前記小型レーザステアリングエンドエフェクタを通してミラーに向けるように配置されたナビゲートレーザをさらに具える、項目7に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。
8.1前記フレームが、複数のロッドと、これらロッドに取り付けられた複数のプラットフォームとを具え、前記プラットフォームに前記小型レーザステアリングエンドエフェクタの構成部品が取り付けられている、項目1に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。
9.ロボットレーザステアリング方法であって、
レーザビームを生成するステップと、
前記レーザビームをエンドエフェクタの近位端内に導き、前記エンドエフェクタの遠位端に近い領域へと向けるステップと、
前記エンドエフェクタの遠位端に近い領域で、少なくとも2つのアクティブミラーでレーザビームを反射するステップと、
アクチュエータを使用して、前記少なくとも2つのアクティブミラーの傾斜配向を変更し、ターゲットにわたってレーザビームを移動させるステップと、
を含む方法。
10.前記少なくとも2つのアクティブミラーと組み合わせて第3のミラーで前記レーザビームを変位させるステップをさらに含む、項目9に記載の方法。
11.前記第3のミラーが固定的に取り付けられている、項目10に記載の方法。
12.前記アクチュエータがカンチレバーである、項目9~11に記載の方法。
13.前記カンチレバーを曲げることにより、前記ミラーと結合された受動リンケージが変位して、前記ミラーの傾斜が変化する、項目12に記載の方法。
14.前記ターゲットが生物である、項目9~13に記載の方法。
15.前記生物はヒトである、項目14に記載の方法。
16.前記ミラーによるレーザビームの変位を介してヒトの体内で、咽頭および喉頭の良性または癌性病変の切除、またはレーザ支援心臓アブレーション、胃腸管のレーザ支援手術、レーザ支援腹部手術、またはレーザ支援経鼻頭蓋骨基部手術をインサイチュで実施するステップをさらに含む、項目15に記載の方法。
1. A miniature laser steering end effector comprising:
a frame having a proximal end and a distal end and having a maximum dimension in a plane orthogonal to the longitudinal axis of 13 mm or less;
at least two mirrors mounted proximate a distal end of the frame and including a first active mirror and a second active mirror;
a first actuator attached to the frame and configured to change the tilt of the first active mirror with respect to the frame;
a second actuator attached to the frame and configured to change the tilt of the second active mirror with respect to the frame;
A path is provided for delivering a laser beam through the frame to the mirrors, the mirrors being positioned and configurable via the actuators to reflect the laser beam at each mirror toward an external target. A miniature laser steering end effector, comprising:
2. The miniature laser steering end effector of Claim 1, further comprising a third mirror arranged and configured to reflect said laser beam with said first and second active mirrors.
3. 3. The compact laser steering end effector of item 2, wherein the third mirror is fixedly mounted.
4. A miniature laser steering end effector according to items 1-3, wherein the first and second actuators are cantilevers.
5. 5. The miniature laser steering end effector of item 4, wherein the cantilever is coupled with a mirror via a passive linkage.
6. 6. A miniature laser steering end effector according to item 4 or 5, wherein the cantilever is a bimorph piezoelectric cantilever.
7. The miniature laser steering end of paragraphs 1-6, further comprising a surgical laser positioned to direct a laser beam through the miniature laser steering end effector and onto the mirror for steering via reflection from the mirror. effector.
8. 8. The miniature laser steering end effector of clause 7, further comprising a navigate laser arranged to direct a laser beam through the miniature laser steering end effector onto a mirror for steering via reflection from the mirror.
8.1 The miniature laser of item 1, wherein said frame comprises a plurality of rods and a plurality of platforms attached to said rods, said platforms mounting components of said miniature laser steering end effector. steering end effector.
9. A robotic laser steering method comprising:
generating a laser beam;
directing the laser beam into a proximal end of an end effector and toward a region near the distal end of the end effector;
reflecting a laser beam off at least two active mirrors in a region near the distal end of the end effector;
using an actuator to change the tilted orientation of the at least two active mirrors to move the laser beam across the target;
method including.
10. 10. The method of item 9, further comprising displacing the laser beam with a third mirror in combination with the at least two active mirrors.
11. 11. Method according to item 10, wherein the third mirror is fixedly mounted.
12. Method according to items 9-11, wherein the actuator is a cantilever.
13. 13. The method of item 12, wherein bending the cantilever displaces a passive linkage coupled to the mirror to change the tilt of the mirror.
14. 14. The method of items 9-13, wherein the target is an organism.
15. 15. The method of item 14, wherein said organism is a human.
16. Ablation of benign or cancerous lesions of the pharynx and larynx, or laser-assisted cardiac ablation, gastrointestinal laser-assisted surgery, laser-assisted abdominal surgery, or laser-assisted transnasal surgery in the human body via displacement of the laser beam by said mirrors 16. The method of item 15, further comprising performing skull base surgery in situ.

本発明の実施形態を説明する際に、明確にするために特定の用語が使用される。説明の目的で、特定の用語は、少なくとも同様の結果を達成するために同様の方法で動作する技術的および機能的透過物を含むことを意図している。さらに、本発明の特定の実施形態が複数のシステム要素または方法ステップを含むいくつかの例では、それらの要素またはステップは、単一の要素またはステップで置き換えることができる。同様に、単一の要素またはステップは、同じ目的を果たす複数の要素またはステップに置き換えることができる。さらに、本発明の実施形態について様々な特性または他の値のパラメータが本明細書で指定される場合、それらのパラメータまたは値は、特に指定がない限り、1/100、1/50、1/20、1/10、1/5、1/3、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10、19/20、49/50、99/100などに上下調整でき(または1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100倍などに増大でき)、またはそれらの四捨五入した近似値、あるいは指定されたパラメータについて上記いずれかの変動値の上下範囲内(例えば、指定されたパラメータが100で変動値が1/100の場合、パラメータの値は0.99~1.01の範囲内)。さらに、本発明は、その特定の実施形態を参照して示し説明したが、当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細の様々な置換および変更を行うことができることを理解するであろう。さらに、他の態様、機能、および利点もまた本発明の範囲内であり、本発明のすべての実施形態は、必ずしもすべての利点を達成し、または上記のすべての特徴を有する必要はない。さらに、一実施形態に関連して本明細書で論じられるステップ、要素、および特徴は、同様に他の実施形態と組み合わせて使用することができる。本文全体で引用されている参考文献、雑誌記事、特許、特許出願などを含む参考文献の内容は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。そして、これらの参考文献および本開示からの実施形態、特徴、特徴付け、および方法のすべての適切な組み合わせが、本発明の実施形態に含まれ得る。さらに、背景欄で特定された構成要素およびステップは、本開示に不可欠であり、本発明の範囲内で本開示の他の場所に記載された構成要素およびステップと組み合わせて、またはそれらの代わりに使用することができる。方法クレーム(または方法が他の場所で引用されている場合)では、工程が特定の順序で引用されている場合(参照を容易にするために付加された順番文字の有無に拘わらず)、特に明記されない限り、または用語や表現によって暗示されている場合を除き、各工程は時間的にそれらの順序に限定されると解釈されない。
In describing embodiments of the present invention, specific terminology is used for the sake of clarity. For purposes of description, specific terms are intended to include technical and functional permeants that operate in a similar manner to achieve at least similar results. Further, in some instances where certain embodiments of the invention include multiple system elements or method steps, those elements or steps may be replaced with a single element or step. Similarly, single elements or steps may be replaced with multiple elements or steps serving the same purpose. Further, when parameters of various properties or other values are specified herein for embodiments of the present invention, those parameters or values are 1/100, 1/50, 1/ 20, 1/10, 1/5, 1/3, 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 9/10, 19/20, 49/50, 99/100, etc. (or can be multiplied by 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 20, 50, 100, etc.), or rounded approximations thereof, or variation of any of the above for a specified parameter (eg, if the specified parameter is 100 and the variation is 1/100, the value of the parameter is in the range of 0.99 to 1.01). Moreover, although the present invention has been shown and described with reference to specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various substitutions and changes in form and detail may be made without departing from the scope of the invention. would do. Moreover, other aspects, features, and advantages are also within the scope of the invention, and not all embodiments of the invention need necessarily achieve all the advantages or have all the features described above. Moreover, steps, elements, and features discussed herein in connection with one embodiment can be used in combination with other embodiments as well. The contents of the references, including references, journal articles, patents, patent applications, etc., cited throughout the text are hereby incorporated by reference in their entirety for all purposes. And all appropriate combinations of the embodiments, features, characteristics, and methods from these references and this disclosure can be included in embodiments of the invention. In addition, the components and steps identified in the background section are essential to this disclosure and within the scope of the invention may be combined with or in place of components and steps described elsewhere in this disclosure. can be used. In a method claim (or where the method is cited elsewhere), if the steps are recited in a particular order (with or without order letters added for ease of reference), especially The steps are not to be construed as limited to their order in time unless explicitly stated or implied by the terms and expressions.

Claims (17)

小型レーザステアリングエンドエフェクタであって、
近位端および遠位端を有し、長手方向軸に直交する平面内の最大寸法が13mm以下のフレームと、
前記フレームの遠位端に近接して取り付けられ、第1のアクティブミラーおよび第2のアクティブミラーを含む少なくとも2つのミラーと、
前記フレームに取り付けられ、前記フレームに対する前記第1のアクティブミラーの傾きを変更するように構成された第1のアクチュエータと、
前記フレームに取り付けられ、前記フレームに対する前記第2のアクティブミラーの傾きを変更するように構成された第2のアクチュエータとを具え、
前記フレームを通してレーザビームを前記ミラーに送達するための経路が設けられており、前記ミラーは、各ミラーでレーザビームを反射して外部ターゲットに向かわせるように前記アクチュエータを介して配置され構成可能であることを特徴とする小型レーザステアリングエンドエフェクタ。
A miniature laser steering end effector comprising:
a frame having a proximal end and a distal end and having a maximum dimension in a plane orthogonal to the longitudinal axis of 13 mm or less;
at least two mirrors mounted proximate a distal end of the frame and including a first active mirror and a second active mirror;
a first actuator attached to the frame and configured to change the tilt of the first active mirror with respect to the frame;
a second actuator attached to the frame and configured to change the tilt of the second active mirror with respect to the frame;
A path is provided for delivering a laser beam through the frame to the mirrors, the mirrors being positioned and configurable via the actuators to reflect the laser beam at each mirror toward an external target. A miniature laser steering end effector, comprising:
前記第1および第2のアクティブミラーと共に、前記レーザビームを反射するように配置され構成された第3のミラーをさらに具える、請求項1に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。 2. The miniature laser steering end effector of claim 1, further comprising a third mirror positioned and configured to reflect said laser beam with said first and second active mirrors. 前記第3のミラーが固定的に取り付けられている、請求項2に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。 3. The miniature laser steering end effector of claim 2, wherein said third mirror is fixedly mounted. 前記第1および第2のアクチュエータがカンチレバーである、請求項1に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。 2. The miniature laser steering end effector of claim 1, wherein said first and second actuators are cantilevers. 前記カンチレバーは受動リンケージを介してミラーと結合されている、請求項4に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。 5. The miniature laser steering end effector of claim 4, wherein the cantilever is coupled with a mirror via passive linkage. 前記カンチレバーがバイモルフ圧電カンチレバーである、請求項4に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。 5. The miniature laser steering end effector of claim 4, wherein said cantilever is a bimorph piezoelectric cantilever. 前記ミラーからの反射を介してステアリングするために、レーザビームを前記小型レーザステアリングエンドエフェクタを通してミラーに向けるように配置された外科用レーザをさらに具える、請求項1に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。 The miniature laser steering end effector of claim 1, further comprising a surgical laser positioned to direct a laser beam through the miniature laser steering end effector onto a mirror for steering via reflection from the mirror. . 前記ミラーからの反射を介してステアリングするために、レーザビームを前記小型レーザステアリングエンドエフェクタを通してミラーに向けるように配置されたナビゲートレーザをさらに具える、請求項7に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。 8. The miniature laser steering end effector of claim 7, further comprising a navigate laser positioned to direct a laser beam through the miniature laser steering end effector onto a mirror for steering via reflection from the mirror. . 前記フレームが、複数のロッドと、これらロッドに取り付けられた複数のプラットフォームとを具え、前記プラットフォームに前記小型レーザステアリングエンドエフェクタの構成部品が取り付けられている、請求項1に記載の小型レーザステアリングエンドエフェクタ。 2. The miniature laser steering end of claim 1, wherein the frame comprises a plurality of rods and a plurality of platforms attached to the rods, the platforms mounting components of the miniature laser steering end effector. effector. ロボットレーザステアリング方法であって、
レーザビームを生成するステップと、
前記レーザビームをエンドエフェクタの近位端内に導き、前記エンドエフェクタの遠位端に近い領域へと向けるステップと、
前記エンドエフェクタの遠位端に近い領域で、少なくとも2つのアクティブミラーでレーザビームを反射するステップと、
アクチュエータを使用して、前記少なくとも2つのアクティブミラーの傾斜配向を変更し、ターゲットにわたってレーザビームを移動させるステップと、
を含む方法。
A robotic laser steering method comprising:
generating a laser beam;
directing the laser beam into a proximal end of an end effector and toward a region near the distal end of the end effector;
reflecting a laser beam off at least two active mirrors in a region near the distal end of the end effector;
using an actuator to change the tilted orientation of the at least two active mirrors to move the laser beam across the target;
method including.
前記少なくとも2つのアクティブミラーと組み合わせて第3のミラーで前記レーザビームを変位させるステップをさらに含む、請求項10に記載の方法。 11. The method of claim 10, further comprising displacing the laser beam with a third mirror in combination with the at least two active mirrors. 前記第3のミラーが固定的に取り付けられている、請求項11に記載の方法。 12. The method of claim 11, wherein said third mirror is fixedly mounted. 前記アクチュエータがカンチレバーである、請求項10に記載の方法。 11. The method of claim 10, wherein said actuator is a cantilever. 前記カンチレバーを曲げることにより、前記ミラーと結合された受動リンケージが変位して、前記ミラーの傾斜が変化する、請求項13に記載の方法。 14. The method of claim 13, wherein bending the cantilever displaces a passive linkage coupled to the mirror to change the tilt of the mirror. 前記ターゲットが生物である、請求項10に記載の方法。 11. The method of claim 10, wherein said target is a living organism. 前記生物はヒトである、請求項15に記載の方法。 16. The method of claim 15, wherein said organism is human. 前記ミラーによるレーザビームの変位を介してヒトの体内で、咽頭および喉頭の良性または癌性病変の切除、またはレーザ支援心臓アブレーション、胃腸管のレーザ支援手術、レーザ支援腹部手術、またはレーザ支援経鼻頭蓋骨基部手術をインサイチュで実施するステップをさらに含む、請求項16に記載の方法。
Ablation of benign or cancerous lesions of the pharynx and larynx, or laser-assisted cardiac ablation, gastrointestinal laser-assisted surgery, laser-assisted abdominal surgery, or laser-assisted transnasal surgery in the human body via displacement of the laser beam by said mirrors 17. The method of claim 16, further comprising performing skull base surgery in situ.
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